[논문 리뷰] More Indications for Lepton Nonuniversality in $b o s \ell^+ \ell^-$

Tobias Hurth, F. Mahmoudi외 2명|arXiv (Cornell University)|2021. 04. 20.

Particle physics theoretical and experimental studies참고 문헌 21인용 수 13

한 줄 요약

이 논문은 최신 LHCb 데이터를 활용한 $b \to s\ell^+\ell^-$ 붕괴에서 렙톤 비일관성의 모형에 의존하지 않는 분석을 제시하며, $R_K$에서 $3.1\sigma$의 긴장이 확인된다. Run 3 데이터가 단일 관측량에서 비일관성을 확인할 가능성이 높으며, 20개의 유효 양자장 이론 매개변수를 바탕으로 한 전역 피팅과 윌크스 검정을 통해 새로운 물리학 패tern을 규명한다.

ABSTRACT

Recently the LHCb collaboration has confirmed the evidence for lepton flavour nonuniversality at the $3.1σ$ level via an updated measurement of $R_K$. In this work we analyse this evidence within a model-independent approach. We make projections for future measurements which indicate that LHCb will be in the position to discover lepton nonuniversality with the Run 3 data in a single observable. We analyse other ratios based on our analysis of the present measurements of the ratios $R_{K^{(*)}}$ and analyse if they are able to differentiate between various new physics options within the effective field theory at present or in the near future. We also compare the present deviations in the ratios with NP indications in the angular observables of exclusive $b o s \ell\ell$ transitions. Finally, we update our global analysis considering all $b o s \ell\ell$ observables altogether, including a 20-parameter fit in connection of a Wilks' test.

연구 동기 및 목표

• 최신 LHCb 측정치를 활용해 $b\to s\ell^+\ell^-$ 붕괴에서 렙톤 비일관성의 유의성을 평가한다.
• 청결한 관측량인 $R_K$와 $\text{BR}(B_s\to\mu^+\mu^-)$를 사용해 Run 3 데이터에서 렙톤 비일관성의 발견 잠재력을 예측한다.
• 각각의 각도 관측량 비율과 $R_{K^{(*))}$ 측정치를 비교하여 새로운 물리학 모형을 구분한다.
• 20개의 유효 양자장 이론 매개변수의 전역 피팅을 수행하고 윌크스 검정을 통해 통계적 유의성을 평가한다.
• 레프톤 편재성 위반 비율의 편차와 각도 관측량을 비교하여 새로운 물리학과의 일관성을 시험한다.

제안 방법

• 모형에 의존하지 않는 유효 양자장 이론 프레임워크를 사용하여 $b\to s\ell^+\ell^-$ 붕괴를 분석하며, $R_K$, $R_{K^*}$, $\text{BR}(B_s\to\mu^+\mu^-)$에 중점을 둔다.
• LHCb, ATLAS, CMS의 실험 데이터를 통합하여 $b\to s\ell^+\ell^-$ 관측량에 대해 20개 매개변수의 전역 피팅을 수행한다.
• 표준모형을 초월한 새로운 물리학의 유의성을 평가하기 위해 윌크스 검정을 적용한다.
• $R_K$와 각도 관측량 비율에 대해 향후 민감도를 18 fb$^{-1}$ 및 50 fb$^{-1}$ 광학량 시나리오를 사용해 예측한다.
• 다양한 NP 시나리오 하에서 $R_{P_1}, R_{P_2}, R_{P_4}, R_{P_5}$ 및 $D_{F_L}, D_{A_{FB}}$ 비율의 68% 신뢰수준 예측을 비교한다.
• LHCb, ATLAS, CMS의 $\text{BR}(B_s\to\mu^+\mu^-)$ 실험적 가능성함을 결합하여 공동 2차원 가능성함을 구성한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 업데이트된 LHCb 데이터에서 $R_K$와 $\text{BR}(B_s\to\mu^+\mu^-)$ 측정치가 $3\sigma$ 이상의 렙톤 비일관성을 확인할 수 있는가?
• RQ2 LHCb의 Run 3 데이터가 단일 관측량에서 렙톤 비일관성을 발견하는 데에 충분한가?
• RQ3 $R_{K^{(*)}}$에서 관측된 편차가 배타적 $B\to K^*\ell^+\ell^-$ 붕괴의 각도 관측량과 어떻게 비교되는가?
• RQ4 전역 피팅과 윌크스 검정을 통해 제약된 현재 데이터와 가장 일치하는 새로운 물리학 모형은 무엇인가?
• RQ5 향후 각도 관측량 비율(예: $R_{P_1}, R_{P_2}, R_{P_4}, R_{P_5}$)은 다양한 NP 시나리오를 구분하는 데 도움이 될 수 있는가?

주요 결과

• LHCb에서 $[1.1,6.0]$ GeV$^2$ 구간의 $R_K$에 대한 업데이트된 측정치는 $R_K^{\text{LHCb}} = 0.846^{+0.042+0.013}_{-0.039-0.012}$를 얻었으며, 이는 표준모형과의 $3.1\sigma$ 긴장을 확인한다.
• 합성 실험 측정치인 $\text{BR}(B_s\to\mu^+\mu^-)$는 $(2.85_{-0.31}^{+0.34})\times10^{-9}$로, LHCb 업데이트 및 다른 실험과 일치한다.
• 20개 유효 양자장 이론 매개변수의 전역 피팅은 이전 분석에 비해 $R_K$와 $R_{K^*}$에서 새로운 물리학의 유의성이 증가함을 보여준다.
• 18 fb$^{-1}$ 및 50 fb$^{-1}$ 광학량 시나리오를 사용한 향후 예측은 $R_{P_1}, R_{P_2}, R_{P_4}, R_{P_5}$ 비율이 새로운 물리학에 민감함을 예측하며, $C_9^\mu$ 지배의 NP 하에서 $R_{P_5}^{[1.1,6.0]}$는 $[0.437,0.528]$에 도달할 것으로 예상된다.
• 윌크스 검정은 전역 피팅에서 새로운 물리학이 표준모형보다 높은 신뢰수준에서 유의미하게 선호됨을 확인한다.
• 분석 결과 $R_K$와 $\text{BR}(B_s\to\mu^+\mu^-)$가 상호 일치하며 다른 $b\to s\ell^+\ell^-$ 데이터와도 일치함을 보여, 공통된 새로운 물리학 기원을 지지한다.