[논문 리뷰] Leptoquarks facing flavour tests and $b o s\ell\ell$ after Moriond 2021

Jonathan Kriewald, Chandan Hati외 2명|arXiv (Cornell University)|2021. 03. 31.

Particle physics theoretical and experimental studies참고 문헌 1인용 수 13

한 줄 요약

이 논문은 $b \to s\ell\ell$ 및 $b \to c\tau\nu$ 붕괴에서의 이４ anomalies를 설명하기 위해 leptoquark 모델에 대한 모델 독립적인 효과적 장 이론 분석을 수행하며, Moriond 2021 이후의 LHCb 데이터를 반영하여 윌슨 계수 피팅을 업데이트한다. 이는 $R_{K^{(*))}$와 $R_{D^{(*)}}$ 이상 현상들을 동시에 설명할 수 있는 유력한 프레임워크로 벡터 leptoquark를 규명하며, 주요 간접적 탐사 방법으로 $\tau\to\phi\mu$, $B_{(s)}\to\tau\tau$, $B_{(s)}\to\tau\mu$, COMET/Mu2e에서의 리프레젠테이션 불변성 위반(LFV)을 제시한다. 또한 $R_{D^{(*)}}$의 진동이 벡터 leptoquark 모델을 부정할 수 있음을 보여준다.

ABSTRACT

In view of the emerging hints for the violation of lepton flavour universality in several $B$-meson decays, we conduct a model-independent study (effective field theory approach) of several well-motivated new physics scenarios. Taking into account the most recent LHCb data, we provide updates to Wilson coefficient fits for numerous popular new physics hypotheses. We also consider a promising model of vector leptoquarks, which in addition to explaining the $B$-meson decay anomalies ($R_{K^{(*)}}$ and $R_{D^{(*)}}$) would have an extensive impact for numerous flavour observables. We identify promising decay modes allowing to (indirectly) probe such an extension: these include positive signals (at Belle II or LHCb) for $τ o ϕμ$, $B_{(s)}$-meson decays to $τ^+ τ^-$ and $τ^+ μ^-$ ($τ^+ e^-$) final states, as well as an observation of certain charged lepton flavour violation transitions at COMET and Mu2e. We also argue how the evolution of the experimental determination of $R_{D^{(*)}}$ can prove instrumental in falsifying a vector leptoquark explanation of the anomalous $B$-meson decay data.

연구 동기 및 목표

• 벡터 leptoquark 모델이 $B$-메손 붕괴에서 지속적인 $R_{K^{(*)}}$ 및 $R_{D^{(*)}}$ 이상 현상들을 설명할 수 있는지 평가하기 위해.
• 최신 LHCb 데이터를 사용하여 윌슨 계수 피팅을 업데이트하며, $R_K = 0.846^{+0.044}_{-0.041}$ 측정치로 표준모형(SM)에서 $3.1\sigma$의 편차를 보임.
• 벡터 leptoquark 모델을 시험할 수 있는 간접적 실험적 탐사 방법—예를 들어 $\tau\to\phi\mu$, $B_{(s)}\to\tau\tau$, $B_{(s)}\to\tau\mu$, $\mu\to e$ 전이에서의 리프레젠테이션 불변성 위반(LFV)—를 규명하기 위해.
• $R_{D^{(*)}}$ 측정치의 진동이 벡터 leptoquark 설명의 타당성을 부정할 수 있는지 평가하기 위해.

제안 방법

• 고차원 연산자를 통해 새로운 물리학을 효과적 장 이론(EFT) 접근법으로 기술하며, 윌슨 계수 $C_9$, $C_{10}$ 및 그들의 풍미 및 레프레젠테이션 불변성 위반 변형을 중심으로 다룬다.
• $b\to s\ell\ell$ 및 $b\to c\tau\nu$ 데이터에 대한 글로벌 피팅을 수행하며, $R_K$, $R_{K^*}$, 각도 관측량, $B_{(s)}\to\mu^+\mu^-$를 포함한 업데이트된 LHCb 결과를 반영한다.
• 여러 가지 새로운 물리학 가정을 고려: 단일-WC, 이중-WC, 여섯-WC 피팅을 포함하며, 특별히 $\Delta C_9^{bs\mu\mu} = -\Delta C_{10}^{bs\mu\mu}$ 및 $\Delta C_9^{bs\mu\mu} = -\Delta C_{10}^{bs\mu\mu}$에 $\Delta C_9'^{bs\mu\mu}$를 추가한 경우를 중심으로 분석한다.
• 우리의 적합도 평가를 위해 가능도 등고선과 피치드 풀(pulls)를 사용하며, 표준모형(SM) 예측과 실험 데이터를 프로파일링된 불확실성과 비교한다.
• 업데이트된 $R_K$ 측정치가 새로운 물리학(NP) 피팅의 유의성에 미치는 영향을 분석하며, 일부 가정에 대해 더 높은 풀을 보여준다.
• NP 모델이 $R_{K^*} < R_K$와 각도 관측량 간의 일치성 여부를 평가하며, 이는 모델의 타당성에 영향을 주는 긴장 요인을 규명한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 일관된 커플링 집합으로 $R_{K^{(*)}}$와 $R_{D^{(*)}}$ 이상 현상을 동시에 설명할 수 있는 벡터 leptoquark 모델이 존재하는가?
• RQ2 $\tau\to\phi\mu$, $B_{(s)}\to\tau\tau$, 또는 $B_{(s)}\to\tau\mu$와 같은 희귀 붕괴 모드 중에서, 벡터 leptoquark 모델에 대한 가장 민감한 간접적 탐사 방법은 무엇인가?
• RQ3 업데이트된 LHCb 측정치인 $R_K = 0.846^{+0.044}_{-0.041}$는 글로벌 피팅의 유의성과 모델 일관성에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ4 $R_{K^*} < R_K$와 각도 관측량 간의 긴장이, 벡터 leptoquark 모델의 타당한 매개변수 공간에 얼마나 깊이 제약을 가하는가?
• RQ5 미래의 $R_{D^{(*)}}$ 측정치가 벡터 leptoquark 가설을 부정하는 테스트로 기능할 수 있는가?

주요 결과

• 업데이트된 $R_K$ 측정치로 인해, $\Delta C_9^{bs\mu\mu}$ 가정에 대해 새로운 물리학(NP) 피팅의 유의성이 Moriond 2021 이전의 $5.9\sigma$에서 $6.3\sigma$로 증가하였다.
• $\Delta C_9^{bs\mu\mu} = -\Delta C_{10}^{bs\mu\mu}$ 가정은 Moriond 2021 이후 $5.9\sigma$의 풀을 달성하였으며, 최적 피팅 점은 $\Delta C_9^{bs\mu\mu} = -0.41^{+0.07}_{-0.08}$였다.
• 여섯-WC 피팅은 Moriond 2021 이후 $6.5\sigma$의 풀을 기록하였으며, $\Delta C_9^{bs\mu\mu} = -1.15^{+0.16}_{-0.15}$ 및 $\Delta C_9'^{bs\mu\mu} = 0.40^{+0.32}_{-0.33}$로 나타나, Moriond 이전 결과보다 약간 향상된 것으로 나타났다.
• $\Delta C_9^{bs\mu\mu} = -\Delta C_{10}^{bs\mu\mu}$ 및 $\Delta C_9'^{bs\mu\mu}$ 가정은 $6.4\sigma$의 풀을 기록하였으며, $\Delta C_9'^{bs\mu\mu} \approx \Delta C_9^{bs\mu\mu}$일 경우 $R_K < R_{K^*}$와의 강력한 일치를 보여, 모델의 일관성을 뒷받침한다.
• $R_{K^{(*)}}$와 각도 관측량 간의 긴장은 여전히 지속되며, 특히 $\Delta C_9^{bs\mu\mu} = -\Delta C_{10}^{bs\mu\mu}$ 및 $\Delta C_9'^{bs\mu\mu} = \Delta C_{10}'^{bs\mu\mu}$의 시나리오에서 모델 제약을 드러낸다.
• $R_{D^{(*)}}$ 측정치의 진동이 핵심 시험으로서 기능함을 보여주었다: 만약 $R_{D^{(*)}}$가 계속해서 표준모형(SM) 예측에서 벗어나면, 이는 벡터 leptoquark가 $R_{K^{(*))}}$ 이상 현상에 대한 설명으로서 타당성을 상실할 수 있음을 의미한다.