[논문 리뷰] On Flavourful Easter eggs for New Physics hunger and Lepton Flavour Universality violation

M. Ciuchini, Antônio Coutinho외 5명|arXiv (Cornell University)|2017. 04. 18.

Particle physics theoretical and experimental studies인용 수 30

한 줄 요약

이 논문은 효과적 장 이론 프레임워크 내에서 베이지안 전역 피팅을 통해 $b \to s$ 전이에서 미세한 뉴 피ysics(NP) 효과를 조사한다. 주로 $R_K$와 $R_{K^*}$ 측정을 통한 레프톤의 편미분 대칭성 위반(LFU)에 초점을 맞추며, 강한 상호작용 불확실성을 보수적으로 다룰 경우, 월리슨 계수에 대해 약 $\sim 3\sigma$ 수준의 NP 증거를 발견한다. 비표준 레프톤 축성 전류는 벡터 전류 NP 모델에 대한 타당한 대안으로 제시된다.

ABSTRACT

Within the standard approach of effective field theory of weak interactions for $\\Delta B = 1$ transitions, we look for possibly unexpected subtle New Physics effects, here dubbed "flavourful Easter eggs". We perform a Bayesian global fit using the publicly available HEPfit package, taking into account state-of-the-art experimental information concerning these processes, including the suggestive measurements from LHCb of $R_{K}$ and $R_{K^{*}}$, the latter available only very recently. We parametrize New Physics contributions to $b \ o s$ transitions in terms of shifts of Wilson coefficients of the electromagnetic dipole and semi-leptonic operators, assuming CP-conserving effects, but allowing in general for violation of lepton flavour universality. We show how optimistic/conservative hadronic estimates can impact quantitatively the size of New Physics extracted from the fit. With a conservative approach to hadronic uncertainties we find nonzero New Physics contributions to Wilson coefficients at the level of $\\sim 3\\sigma$, depending on the model chosen. Furthermore, given the interplay between hadronic contributions and New Physics effects in the leptonic vector current, a scenario with nonstandard leptonic axial currents is comparable to the more widely advocated one with New Physics in the leptonic vector current.

연구 동기 및 목표

• 표준모형을 초월한 희귀 $B$ 붕괴에서 미세한 뉴 피ysics 효과—'맛있는 이ース터 에그'—를 탐색하기 위해.
• 강한 상호작용 불확실성이 $b\to s\gamma$ 및 $b\to s\ell\ell$ 전이에서 뉴 피ysics 신호 추출에 미치는 영향을 평가하기 위해.
• 최신 LHCb 및 Belle 데이터를 활용해 뉴 피ysics 모델의 타당성을 시험하기 위해, 특히 레프톤의 편미분 대칭성 위반을 포함한 모델들에 대해.
• 레프톤 벡터 전류에 뉴 피ysics가 존재하는 경우와 비표준 레프톤 축성 전류가 존재하는 경우를 비교하기 위해.

제안 방법

• HEPfit 패키지를 사용하여 $B\to K^{(*)}\ell\ell$, $B\to X_s\gamma$, 그리고 $P_5'$ 각도 관측량의 실험 데이터를 결합하는 베이지안 전역 피팅을 수행한다.
• 효과적 장 이론 프레임워크 내에서 전자기 이중극 및 준입자 전이 연산자의 월리슨 계수에 대한 이격을 통해 뉴 피ysics 기여를 매개변수화한다.
• 보수적 대비 낙관적인 강한 상호작용 추정치가 뉴 피ysics 신호의 유의성에 미치는 영향을 평가한다.
• 최근 LHCb에서의 $[1.1,6]$ GeV$^2$ 이중 레프톤 질량 범위 내 $R_K$ 및 $R_{K^*}$ 측정치를 포함하며, LHCb, ATLAS, CMS, Belle의 $P_5'$ 데이터도 통합한다.
• 벡터, 스칼라, 텐서, 축성 전류 모델을 포함한 여섯 가지의 다른 뉴 피ysics 시나리오를 비교한다. 이는 레프톤의 편미분 대칭성 위반 여부에 따라 분류된다.
• 실험 오차를 대칭화하고 $R_K$, $R_{K^*}$, $R_\phi$, $P_5'$ 등의 관측량을 여러 질량 범위에 걸쳐 피팅한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 강한 상호작용 불확실성을 보수적으로 다룰 경우, $b\to s$ 전이에서 월리슨 계수에 대한 뉴 피ysics 기여의 유의성은 어떻게 되는가?
• RQ2 특히 레프톤 벡터 전류 대비 축성 전류에서의 뉴 피ysics 매개변수화 방식이 $R_K$와 $R_{K^*$ 데이터에 대한 전역 피팅에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ3 최근 LHCb에서의 $R_{K^*}$ 및 $P_5'$ 측정치가 큰 반동 영역에서 표준모형의 강한 상호작용 효과보다 뉴 피ysics 설명을 얼마나 잘 지지하는가?
• RQ4 비표준 레프톤 축성 전류가 존재하는 시나리오는 $R_K$와 $R_{K^*}$ 이상현상의 설명에 있어 널리 연구된 벡터 전류 뉴 피ysics 모델에 비해 타당한 대안이 될 수 있는가?
• RQ5 강한 상호작용 행렬원소 추정치의 변동이 추출된 뉴 피ysics 신호 강도와 그 통계적 유의성에 어떤 영향을 미치는가?

주요 결과

• 강한 상호작용 불확실성을 보수적으로 다룰 경우, 전역 피팅 결과 $b\to s$ 전이에서 월리슨 계수에 대한 뉴 피ysics 기여에 대해 약 $\sim 3\sigma$ 수준의 증거를 발견한다.
• $R_K$와 $R_{K^*}$ 측정치—특히 $[1.1,6]$ GeV$^2$ 범위에서—표준모형과 지속적인 갈등을 보이며, $R_K \approx 0.753 \pm 0.090$ 및 $R_{K^*}^{[1.1,6]} \approx 0.707 \pm 0.102$로 나타나 표준모형 예측보다 낮다.
• $B\to K^*\mu\mu$에서의 $P_5'$ 이상현상은 여전히 유의미하며, LHCb와 Belle 데이터는 표준모형에서 약 $\sim 3\sigma$ 정도의 편차를 보이지만, 실험 간 편차가 다르게 나타난다.
• ATLAS와 CMS의 $P_5'$ 측정치는 각각 표준모형 예측에 대해 증가된 편차와 감소된 편차를 보이며, QCD 고차항 보정에 대한 이론적 통제력 향상의 필요성을 강조한다.
• 레프톤 축성 전류에 뉴 피ysics가 존재하는 시나리오는 일반적으로 연구된 벡터 전류 모델과 피팅 품질이 유사하며, 특히 강한 상호작용 불확실성을 고려할 경우 더욱 두드러진다.
• 피팅 결과에 따르면 $R_{K^*}^{T}$와 $R_{K^*}^{L}$ 관측량은 뉴 피ysics에 민감하며, 일부 시나리오에서 $R_{K^*}^{T}$ 값이 $1.05 \pm 0.03$에 도달하여 횡방향 극화에서 뉴 피ysics의 가능성을 시사한다.