[논문 리뷰] Lepton nonuniversality anomalies and implications

Gudrun Hiller|arXiv (Cornell University)|2018. 04. 05.

Particle physics theoretical and experimental studies참고 문헌 28인용 수 4

한 줄 요약

이 논문은 희귀 B 메손 붕괴에서의 렙톤 비일관성 이상 현상에 대해 연구하며, 특히 $R_K$와 $R_{K^*}$에서의 편차의 주요 원인으로 V-A 형식의 연산자—특히 $C_9^{ m NP}$와 $C_{10}^{ m NP}$—를 규명한다. $q^2 \in [1.1,6]~\text{GeV}^2$ 범위에서 $R_K \simeq 0.745$이고 $R_{K^*} \simeq 0.69$이다. 포함형 $B \to X_s \ell\ell$ 붕괴에 대해 $R_{X_s} \simeq 0.73 \pm 0.07$를 예측하며, 이는 벨 II 실험에서 검증 가능하다. 또한 스칼라 및 벡터 렙톤쿠르크가 뒷받질 수 있는 뒤세계 물리학적 설명으로서 타당하다.

ABSTRACT

We discuss avenues for diagnosing new physics hinted from lepton nonuniversality in rare $b$-decays, and physics implications.

연구 동기 및 목표

• 희귀 $b \to s\ell\ell$ 붕괴에서의 렙톤 비일관성(LNU) 이상 현상, 특히 $R_K$와 $R_{K^*}$에서의 기원을 진단하는 것.
• 이상 현상이 뉴트론 물리학(NP)이 뮤온, 전자, 또는 둘 다에 기인하는지, 렙톤 특화 측정을 통해 규명하는 것.
• 초미세한 쿼크, 케이온 물리학, 렙톤 편향성 위반(LFV), $\tau$ 붕괴 등 다른 플라버 섹터와의 상관관계를 탐색하는 것.
• 기존 제약 조건을 만족하면서 이상 현상을 설명할 수 있는 타당한 뒷세계 물리학(BSM) 모델—특히 렙톤쿠르크—를 규명하는 것.
• 미래 실험에서 검증 가능한 예측을 제공하는 것—벨 II와 LHC에서의 $R_{X_s}$와 $B \to K^{(*)}ee$ 붕괴를 포함하여.

제안 방법

• 6차원 효과적 장 이론 프레임워크를 사용하여 $b \to s\ell\ell$ 전이를 기술하며, $\mathcal{H}_{\rm eff} = -4G_F/\sqrt{2} \, V_{tb}V_{ts}^* \sum_i C_i(\mu) O_i(\mu)$를 적용한다.
• 뉴트론 물리학 기여를 분리하기 위해 선형 근사 $\mathcal{B} = |A^{\rm SM} + A^{\rm NP}|^2 \approx |A^{\rm SM}|^2 + 2\,{\rm Re}(A^{\rm SM} A^{\rm NP*}) + |A^{\rm NP}|^2$를 적용한다.
• 핵심 불확실성을 줄이기 위해 $q^2$-통합 브랑칭 비율을 사용하여 $H = K, K^*, X_s$에 대해 $R_H = \mathcal{B}(B \to \bar{H}\mu\mu)/\mathcal{B}(B \to \bar{H}ee)$를 분석한다.
• 주요 뉴트론 물리학 기초를 $C_9^{\rm NP}$와 $C_{10}^{\rm NP}$를 통해 규명하며, 뮤온에 대해 $\Delta C_9^{\rm NP} \sim -1.1 \pm 0.3$ 및 $\Delta C_{10}^{\rm NP} \sim -1.1 \pm 0.3$로 추정한다.
• $R_K$와 $R_{K^*}$ 데이터를 기반으로 대칭 관계를 활용하여 $R_{X_s} \simeq 0.73 \pm 0.07$를 예측한다.
• 레프톤쿠르크 모델($S_3, V_3, V_1$)이 타당한 설명으로서 평가되며, V+A 형식으로 인해 $\tilde{S}_2$는 배제된다. 질량과 결합 상수에 대한 모델 독립적 상한을 유도한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 레프톤 비일관성 이상 현상의 주요 디랙 연산자 형식(V-A, V+A 등)은 무엇인가?
• RQ2 레프톤 특화 측정을 통해 이상 현상이 뮤온, 전자, 또는 둘 다에 기인한 뉴트론 물리학인지 구분할 수 있는가?
• RQ3 어느 렙톤쿠르크 모델이 $R_K$와 $R_{K^*}$ 이상 현상을 동시에 설명하면서도 $B_s \to \mu\mu$ 제약 조건을 만족하는가?
• RQ4 $R_{X_s}$와 기타 $R_H$ 비율의 검증 가능한 예측은 무엇이며, 벨 II에서 어떻게 탐색할 수 있는가?
• RQ5 이상 현상은 $R_{D^{(*)}}$, $\mu \to e\gamma$, 또는 $K^0 \to \mu^+\mu^-$와 같은 다른 플라버 민감성 과정과 어떻게 상관관계가 있는가?

주요 결과

• $R_K^{\rm LHCb} = 0.745^{+0.090}_{-0.074} \pm 0.036$ 및 $R_{K^*}^{\rm LHCb} = 0.69^{+0.11}_{-0.07} \pm 0.05$로 측정된 $R_K$와 $R_{K^*}$ 이상 현상은 렙톤 일관성에서 약 $2.6\sigma$의 편차를 나타낸다.
• 이상 현상은 뉴트론 물리학이 V-A 형식 연산자에 기인할 경우 가장 잘 설명되며, 뮤온에 대해 $\Delta C_9^{\rm NP} \sim -1.1 \pm 0.3$ 및 $\Delta C_{10}^{\rm NP} \sim -1.1 \pm 0.3$로 추정된다.
• 포함형 $R_{X_s}$ 비율은 $R_{X_s} \simeq 0.73 \pm 0.07$로 예측되며, 이는 벨 II에서 검증 가능한 청소년 신호이다.
• 스칼라 트리플렛($S_3$), 벡터 트리플렛($V_3$), 벡터 싱글렛($V_1$) 렙톤쿠르크는 나무 수준에서 타당한 설명이 되며, 스칼라 듀얼렛($\tilde{S}_2$)는 기각된다.
• 렙톤쿠르크 질량에 대한 모델 독립적 상한은 각각 $S_3$, $V_1$, $V_3$에 대해 약 40, 45, 20 테바르이며, 대부분의 매개변수 공간은 LHC의 탐색 범위를 벗어난다.
• 이상 현상은 $B_s \to \mu\mu$ 제약 조건과 일치하며, $0 \lesssim {\rm Re}[C_{10}^{\rm NP\mu} - C_{10}^{\prime\rm NP\mu}] \lesssim 0.9$로 추정된다.