[논문 리뷰] New Physics in $b o s\ell\ell$ anomalies and its implications for the complementary neutral current decays

Faisal Munir Bhutta, Zhuo-Ran Huang외 3명|arXiv (Cornell University)|2020. 09. 08.

Particle physics theoretical and experimental studies참고 문헌 79인용 수 7

한 줄 요약

이 논문은 스칼라, 벡터, 아르키메데스-벡터 및 바리온 final state를 포함한 $b \to s\ell^+\ell^-$ 붕괴에서 렙톤-플레처-유니버설리티 위반(LFUV) 비율을 모델에 종속되지 않은 효과적 해밀토니안과 헬리시티 형식을 사용하여 조사한다. $B \to K^*\ell^+\ell^-$, $B \to K_1(1400)\ell^+\ell^-$, 및 $B \to \Lambda\ell^+\ell^-$ 붕괴에서, 특히 저-$q^2$ 영역에서 LFUV 비율이 뉴트럴 플레처 물리학에 매우 민감하며, 향후 Belle II 및 LHCb 측정에서 NP 시나리오 간의 주요 분류 기준이 될 수 있음을 발견한다.

ABSTRACT

We study the Standard Model and the new physics predictions for the lepton-flavour-universality violating (LFUV) ratios in various $b o s \ell^+\ell^-$ channels with scalar, pseudoscalar, vector, axial-vector, and $Λ$ baryon final states, considering both unpolarized and polarized final state hadrons. In order to formulate physical observables, we use the model independent effective Hamiltonian approach and employ the helicity formalism. We provide the explicit expressions of the helicity amplitudes in terms of the Wilson coefficients and the hadronic form factors by using the same kinematical configuration and polarization conventions for all the decay channels.We perform the numerical analysis with new physics scenarios selected from the recent global fits to $b o s\ell^+\ell^-$ data, having specific new physics model interpretations. We find that some of the LFUV ratios for these complementary channels in different kinematical regions have high sensitivity to new physics and the future measurements of them in Belle II and LHCb experiments, along with testing new physics/LFUV, can help to distinguish among some of the different new physics possibilities.

연구 동기 및 목표

• 표준모형을 초월한 뉴트럴 플레처 물리학에 대한 $b \to s\ell^+\ell^-$ 붕괴에서의 렙톤-플레처-유니버설리티 위반(LFUV) 비율의 민감도를 평가하기 위해.
• $B \to K^*\mu^+\mu^-$를 초월하여 스칼라, 벡터, 아르키메데스-벡터 및 바리온 final state(예: $K_1(1400)$ 및 $\Lambda$ 바리온)를 포함한 LFUV 분석을 확장하기 위해.
• 헬리시티 앙피츄드와 윌슨 계수를 사용하여 다양한 붕괴 모드 간에 일관된 운동량 및 편광 조건을 갖춘 통합 프레임워크를 제공하여 NP 효과를 비교하기 위해.
• 다양한 $q^2$ 영역에서 LFUV 비율을 통해 향후 Belle II 및 LHCb 측정이 경쟁하는 뉴트럴 플레처 물리학 모델을 구분할 잠재력을 평가하기 위해.
• 핵력형 패러미터 불확실성과 윌슨 계수의 $1\sigma$ 범위가 여러 붕괴 채널 전반에서 LFUV 예측에 미치는 영향을 정량화하기 위해.

제안 방법

• 모델에 종속되지 않은 효과적 해밀토니안 접근법을 사용하여 $b \to s\ell^+\ell^-$ 전이를 기술하며, 윌슨 계수를 통해 표준모형 및 뉴트럴 플레처 물리학 기여를 통합한다.
• 모든 붕괴 모드—$B \to K^*\ell^+\ell^-$, $B \to K_1(1400)\ell^+\ell^-$, $B \to \Lambda\ell^+\ell^-$, 및 $B \to \Lambda^*\ell^+\ell^-$—에 대해 일관된 편광 및 운동량 조건을 갖춘 헬리시티 형식을 사용하여 헬리시티 앙피츄드를 계산한다.
• 헬리시티 앙피츄드를 윌슨 계수와 핵력형 패러미터의 함수로 표현하여, 다양한 final state 간의 NP 효과를 직접 비교할 수 있도록 한다.
• 글로벌 피팅을 통해 $b \to s\ell^+\ell^-$ 데이터에 기반한 NP 시나리오를 사용하여 수치 분석을 수행하며, $Z'$, 렙톤쿼크, 스칼라 매개체 등의 특정 모델 해석을 포함한다.
• 형태 패러미터 불확실성과 윌슨 계수의 $1\sigma$ 범위에서의 오차 전파를 고려하여, 여러 $q^2$ 영역에서 LFUV 비율 $R_K$, $R_{K^*}$, $R_{K_1^{(L,T)}}$, 및 $R_{\Lambda^{(0,1)}}$을 계산한다.
• 특히 NP 효과가 증폭되는 저-$q^2$ 영역에서 NP에 대한 이러한 비율의 민감도를 분석한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 스칼라, 벡터, 아르키메데스-벡터 및 바리온 final state를 포함한 $b \to s\ell^+\ell^-$ 붕괴에서 $K_1(1400)$, $\Lambda$, 및 $\Lambda^*$ final state의 LFUV 비율은 뉴트럴 플레처 물리학 하에서 표준모형 예측과 어떻게 다를까?
• RQ2 $B \to K^*\ell^+\ell^-$, $B \to K_1(1400)\ell^+\ell^-$, 및 $B \to \Lambda\ell^+\ell^-$ 붕괴에서 NP 효과에 대해 가장 민감한 운동량 영역($q^2$ 영역)은 어디인가?
• RQ3 $B \to \Lambda\ell^+\ell^-$ 및 $B \to \Lambda^*\ell^+\ell^-$ 붕괴에서의 LFUV 비율은 $Z'$, 렙톤쿼크, 또는 스칼라 매개체와 같은 서로 다른 뉴트럴 플레처 물리학 모델을 구분하는 데 도움이 될 수 있는가?
• RQ4 형태 패러미터 불확실성과 윌슨 계수의 $1\sigma$ 범위는 서로 보완적인 붕괴 채널에서 LFUV 비율의 예측 능력에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ5 향후 Belle II 및 LHCb 실험이 바리온 및 고스핀 final state에서의 측정을 통해 $R_K$ 및 $R_{K^*}$ 이질현상의 해소 잠재력은 어떠한가?

주요 결과

• $q^2 \in [1,6]$ GeV$^2$ 영역에서 $R_{K_1^{(L,T)}(1400)}$ 비율은 표준모형 예측인 1.0에서 크게 벗어나며, NP 시나리오 S3 및 S4는 각각 0.782 및 0.753으로 예측하여 뉴트럴 플레처 물리학에 매우 민감함을 시사한다.
• $B \to \Lambda\ell^+\ell^-$ 붕괴에서 $R_\Lambda$ 비율은 NP 시나리오에서 크게 감소하며, S3에서는 0.785, S6에서는 0.768에 도달하여 특히 고-$q^2$ 영역에서 NP 모델을 구분할 잠재력이 크다.
• $B \to \Lambda^*\ell^+\ell^-$ 붕괴에서 $R_{\Lambda^{(0,1)}}$ 비율은 저-$q^2$ 영역에서 표준모형 대비 최대 25%의 편차를 보이며, S1 및 S6은 각각 0.784 및 0.769로 예측하여 뉴트럴 플레처 물리학에 매우 민감함을 시사한다.
• $q^2 \in [1.1,6]$ GeV$^2$ 영역에서 $R_{K^*}$ 비율은 NP 시나리오 S2에서 최소 0.69로 예측되어 실험 데이터와 일치하며, $B \to K\ell^+\ell^-$에서의 $R_{K}$ 비율은 S3 및 S4에서 최대 15%의 편차를 보인다.
• $q^2 \in [14,q^2_{\text{max}}]$ 영역에서 $R_{\Lambda^1}$ 비율은 S1에서 0.786, S6에서 0.767로 예측되어 바리온 붕괴의 고-$q^2$ 영역이 뉴트럴 플레처 물리학에 특히 민감함을 시사한다.
• 이 연구는 특히 형태 패러미터 불확실성이 낮고 NP 효과가 증폭되는 저-$q^2$ 영역에서 $R_{K_1^{(L,T)}(1400)}$ 및 $R_{\Lambda^{(0,1)}}$을 뉴트럴 플레처 물리학 모델 간의 주요 관측량으로 규명하였다.