[논문 리뷰] Lepton universality violation and lepton flavor conservation in $B$-meson decays

Rodrigo Alonso, Benjaḿın Grinstein외 1명|arXiv (Cornell University)|2015. 05. 19.

Particle physics theoretical and experimental studies인용 수 155

한 줄 요약

이 논문은 최소 쿠르트 상호작용 가정 하에 효과적 장 이론 프레임워크를 통해 $B$-메손 붕괴에서 레프톤 대칭성 위반을 조사하며, 뮤온에 주로 결합하는 몇 테라전자볼트 수준의 새로운 물리 스케일이 레프톤 대칭성 위반을 설명하면서도 레프톤 맛 위반을 유도하지 않는다는 것을 보여준다. 주요 예측은 $b\to s\tau\tau$ 붕괴 확률에서 약 $10^3$ 배의 증폭이며, 이는 관측된 $B\to D^{(*)}\tau\bar{\nu}$ 및 $B^{-}\to\tau^{-}\bar{\nu}$ 초과 현상의 해소에 기여할 수 있다.

ABSTRACT

Anomalies in (semi)leptonic $B$-meson decays present interesting patterns that might be revealing the shape of the new physics to come. In order to understand the experimental data, we explore symmetry arguments that lead to the hypothesis of minimal flavor violation. In particular, under the assumption of negligible neutrino mass effects in charged lepton processes, the presence of lepton universality violation without lepton flavor violation naturally arises. This can account for a deficit of $B^+ o K^+μμ$ over $B^+ o K^+ee$ decays with new physics coupled predominantly to muons and a new physics scale of a few TeV. A prediction of this scenario is the modification of processes involving the third generation. In particular, accounting for the above ratio implies a large enhancement, by a factor $\sim10^3$ with respect to the standard model, of all the $b o sττ$ decay rates. Although these are still below current experimental limits, they should be easily at reach in future experiments at $B$-factories. Another important consequence is the prediction of sizable effects in charge-current $B$ tauonic decays which could also explain the enhancements that have been observed in the $B o D^{(*)}τ\bar ν$ and $B^- oτ^-\bar ν$ decays. For the most part, the study is carried out in an effective field theory framework with an underlying $SU(2)_L imes U(1)_Y$ symmetry that emphasizes the model-independent correlations arising between low- and high-energy observables. For example, a connection between $B$-decays and top physics is pointed out. To complement the discussion, all possible (spin 0 and 1) leptoquark models are matched to the low-energy field theory so that the effective analysis can be used to survey these candidates for new physics. These models also serve as concrete examples where the hypotheses of this work can be implemented.

연구 동기 및 목표

• B-메손 붕괴에서의 비정상 현상, 특히 레프톤 대칭성 위반을 시사하는 $R_K$ 비정상 현상의 기원을 이해하기 위해.
• 대칭 원리에 따라 레프톤 맛 위반 없이도 레프톤 대칭성 위반이 발생할 수 있는지 탐색하기 위해.
• 저에너지 $B$-붕괴 관측량과 고에너지 물리 사이의 모델에 종속되지 않는 상관관계를 규명하고, 특히 최소 쿠르트 상호작용의 맥락에서 이를 분석하기 위해.
• 제안된 새로운 물리 이론 프레임워크의 실현 가능성을 레프톤 쿼크 모델을 통해 검토하기 위해.

제안 방법

• 저에너지 및 고에너지 관측량 사이의 모델에 종속되지 않는 상관관계를 유도하기 위해 $SU(2)_L \times U(1)_Y$ 게이지 대칭을 가진 효과적 장 이론 프레임워크를 사용한다.
• 대칭 원리를 적용하여 최소 쿠르트 상호작용 가정 하에 레프톤 대칭성 위반은 발생할 수 있으나 레프톤 맛 위반은 발생하지 않는다는 것을 보여준다.
• 모든 가능한 스핀 0 및 스핀 1 레프톤 쿼크 모델을 저에너지 효과적 이론에 매칭하여 타당한 새로운 물리 후보를 규명한다.
• 무거운 레프톤 쿼크 상태를 통합한 후 효과적 라그랑지안을 유도하고, 표준 모형 연산자 기반으로 $B$-붕괴 진폭을 계산한다.
• 효과적 장 이론 형식을 사용하여 $B\to K\mu\mu$, $B\to K^*\mu\mu$, 및 $B$ 타우닉 붕괴에서 분해율과 각도 관측량을 계산한다.
• LHCb 및 $B$-팩토리의 실험 데이터와 비교하여 $R_K$, $R_{K^*}$, 및 $B\to D^{(*)}\tau\bar{\nu}$ 분해율에 중점을 둔다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 B-메손 붕괴에서 레프톤 대칭성 위반이 레프톤 맛 위반을 유도하지 않고 발생할 수 있으며, 이러한 현상이 가능한 대칭 원리는 무엇인가?
• RQ2 만약 $R_K$ 비정상 현상이 뮤온에 주로 결합하는 새로운 물리에 기인한다면, $b\to s\tau\tau$ 붕괴 확률에 대한 모델에 종속되지 않는 예측은 무엇인가?
• RQ3 최소 쿠르트 상호작용 하에서 $b\to s\ell\ell$ 및 $b\to c\tau\bar{\nu}$ 영역의 $B$-붕괴 관측량 사이에 어떤 상관관계가 존재하는가?
• RQ4 레프톤 쿼크 모델이 제안된 시나리오를 실현하면서도 현재의 실험 제약 조건을 충족할 수 있는가?
• RQ5 $R_K$ 비정상 현상은 톰 쿼크 물리 및 기타 맛 위반 과정에 어떤 영향을 미치는가?

주요 결과

• $B^+\to K^+\mu\mu$ 대비 $B^+\to K^+ee$ 붕괴에서의 레프톤 대칭성 위반을 시사하는 $R_K$ 비정상 현상 — 약 $2.6\sigma$의 편차 — 는 몇 테라전자볼트 수준의 새로운 물리가 뮤온에 주로 결합함으로써 설명될 수 있다.
• 최소 쿠르트 상호작용 하에서, 이 모델은 표준 모형 대비 모든 $b\to s\tau\tau$ 붕괴 확률에서 약 $10^3$ 배의 증폭을 예측하지만, 여전히 현재 실험 제약 이하에 머무른다.
• 이 시나리오는 전하-전류 $B$ 타우닉 붕괴, 즉 $B\to D^{(*)}\tau\bar{\nu}$ 및 $B^{-}\to\tau^{-}\bar{\nu}$ 에서도 상당한 영향을 미치며, 이는 관측된 약 $3.6\sigma$의 초과 현상에 대한 설명이 될 수 있다.
• $B$-붕괴와 톰 쿼크 물리 사이의 연결 고리를 확립하여, 톰 쿼크 과정도 동일한 새로운 물리 스케일에 민감할 수 있음을 시사한다.
• 모든 스핀 0 및 스핀 1 레프톤 쿼크 모델이 저에너지 EFT에 매칭되었으며, 이는 제안된 대칭 기반 프레임워크를 실현하고 $R_K$ 비정상 현상을 재현할 수 있음을 보여준다.
• 레프톤 쿼크를 통합하여 유도된 효과적 라그랑지안은 $b\to d_j\ell_\alpha\ell_\beta$ 전이에 대해 특정 레프톤 쿼크 결합이 주요 기여를 한다고 확인하며, $\Delta_{-7/6}$ 및 $V_{-2/3}$ 유형이 $R_K$ 비정상 현상에 가장 관련이 깊다.