[논문 리뷰] Probing new physics in class-I $B$-meson decays into heavy-light final states

Fang-Min Cai, Weijun Deng외 2명|arXiv (Cornell University)|2021. 03. 06.

Particle physics theoretical and experimental studies참고 문헌 129인용 수 36

한 줄 요약

이 논문은 표준모형 예측과 실험 측정치 사이의 분岐율에서 4–5σ의 이상 현상이 나타나는 클래스-I B-메손 붕괴, 특히 $\bar{B}^0 \to D^+ K^-$ 및 $\bar{B}_s^0 \to D_s^{+} \pi^-$를 조사한다. QCD 인과성에 기반하여, $\mu(1 - \gamma^5) \otimes \mu(1 - \gamma^5)$의 구조를 가진 새로운 물리학의 4-quark 연산자가 1σ 수준에서 이러한 이질성을 설명할 수 있음을 밝히며, 다른 디랙 연산자 형태는 2σ 수준조차도 실패함을 확인한다.

ABSTRACT

With updated experimental data and improved theoretical calculations, several significant deviations are being observed between the Standard Model predictions and the experimental measurements of the branching ratios of $\bar{B}_{(s)}^0 o D_{(s)}^{(*)+} L^-$ decays, where $L$ is a light meson from the set $\{\pi, ho,K^{(\ast)}\}$. Especially for the two channels $\bar{B}^0 o D^{+}K^-$ and $\bar{B}_{s}^0 o D_{s}^{+}\pi^-$, both of which are free of the weak annihilation contribution, the deviations observed can even reach 4-5$\sigma$. Here we exploit possible new-physics effects in these class-I non-leptonic $B$-meson decays within the framework of QCD factorization. Firstly, we perform a model-independent analysis of the effects from twenty linearly independent four-quark operators that can contribute, either directly or through operator mixing, to the quark-level $b o c\bar{u} d(s)$ transitions. It is found that, under the combined constraints from the current experimental data, the deviations observed could be well explained at the $1\sigma$ level by the new-physics four-quark operators with $\gamma^{\mu}(1-\gamma_5)\otimes\gamma_{\mu} (1-\gamma_5)$ structure, and also at the $2\sigma$ level by the operators with $(1+\gamma_5)\otimes(1-\gamma_5)$ and $(1+\gamma_5)\otimes(1+\gamma_5)$ structures. However, the new-physics four-quark operators with other Dirac structures fail to provide a consistent interpretation, even at the $2\sigma$ level. Then, as two specific examples of model-dependent considerations, we discuss the case where the new-physics four-quark operators are generated by either a colorless charged gauge boson or a colorless charged scalar, with their masses fixed both at the $1$~TeV. Constraints on the effective coefficients describing the couplings of these mediators to the relevant quarks are obtained by fitting to the current experimental data.

연구 동기 및 목표

• . 이 논문은 표준모형 예측과 클래스-I 비전자 B-메손 붕괴에서의 분岐율 측정치 사이에 관찰된 상당한 이질성을 설명하는 것을 목표로 한다.
• . 연구는 약한 허물기 기여 없이 청소된 두 개의 청소된 채널인 $\bar{B}^0 \to D^+K^-$ 및 $\bar{B}_s^0 \to D_s^+\pi^-$에 집중하며, 이들은 4–5σ의 이질성을 보인다.
• . 목표는 이러한 이상 현상이 QCD 인과성 프레임워크 내에서 4-quark 연산자를 통한 새로운 물리학으로 일관적으로 설명될 수 있는지 확인하는 것이다.
• . 또한 이러한 새로운 물리학을 색이 없는 전하를 가진 게이지 보손과 색이 없는 전하를 가진 스칼라 보손을 통해 모델 의존적으로 실현하는 것을 탐색한다. 이들 보손의 질량은 각각 1 TeV로 고정된다.

제안 방법

• . 연구는 짧은 거리의 하드 상호작용과 긴 거리의 강입자 행렬원소로 나누어지는 QCD 인과성(QCDF)을 사용하여 붕괴 진폭을 계산한다.
• . $b \to c\bar{u}d(s)$ 전이에 기여하는 20개의 선형 독립적인 4-quark 연산자에 대한 모델에 의존하지 않는 분석을 수행하며, 이들의 재규격화 하에서의 혼합도 고려한다.
• . 강입자 행렬원소는 최종 상태의 경량 메손의 B(s) → D(∗)(s) 전이 형상 인자와 빛의 경로 분포 애너미를 사용하여 평가된다.
• . 하드 커널 Tij(u)에 대해 αs의 다음 최고 순서(NLO)까지의 고전적 보정을 포함하여 고정밀도 진폭 계산을 보장한다.
• . 모델 의존적 분석을 위해 색이 없는 전하를 가진 게이지 보손과 색이 없는 전하를 가진 스칼라 보손을 각각 고려하며, 이들의 질량은 1 TeV로 고정된다.
• . 이러한 매개체의 쿠론-쿼크 효과적 결합은 현재의 분岐율 및 비율 R(∗)L에 대한 실험 데이터에 적합함으로써 제약을 받는다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 . 관측된 $\bar{B}^0 \to D^+K^-$ 및 $\bar{B}_s^0 \to D_s^+\pi^-$ 분岐율에서의 4–5σ 이상 현상은 4-quark 연산자에 의한 새로운 물리학으로 설명될 수 있는가?
• RQ2 . 어떤 디랙 연산자 형태의 4-quark 연산자가 현재 실험 데이터와 1σ 또는 2σ 수준에서 일관되는가?
• RQ3 . 이러한 새로운 물리학 기여는 1 TeV 질량의 색이 없는 전하를 가진 게이지 보손 또는 스칼라로 실현될 수 있는가?
• RQ4 . 실험적 제약을 종합적으로 고려할 때 이러한 새로운 물리학 연산자의 효과적 윌슨 계수의 允가 가능한 범위는 무엇인가?
• RQ5 . Rπ, Rρ, RK 등의 비율 예측은 새로운 물리학의 매개변수 공간을 어떻게 제약하는가?

주요 결과

• . $\gamma^\mu(1 - \gamma^5) \otimes \gamma^\mu(1 - \gamma^5)$의 구조를 가진 새로운 물리학 4-quark 연산자는 관측된 이질성을 1σ 신뢰 수준에서 설명할 수 있다.
• . $(1 + \gamma^5) \otimes (1 - \gamma^5)$ 및 $(1 + \gamma^5) \otimes (1 + \gamma^5)$의 구조를 가진 연산자는 2σ 수준에서만 일관된다.
• . 다른 모든 디랙 연산자 형태는 2σ 수준조차도 일관된 설명을 제공하지 못한다.
• . 질량이 1 TeV인 색이 없는 전하를 가진 게이지 보손의 경우, 효과적 결합 계수 $C_{LL}^{(1)}(m_b)$의 允가 가능한 범위는 1σ에서 $[-2.65, -0.849]$이며, 2σ에서는 $[-4.06, -0.209]$이다.
• . 질량이 1 TeV인 색이 없는 전하를 가진 스칼라 보손의 경우, $C_{LL}^{(1)}(m_b)$의 允가 가능한 범위는 1σ에서 $[-2.54, -0.759]$이며, 2σ에서는 $[-3.69, -0.191]$이다.
• . 모든 열 개의 비율 $R^{(*)}_{(s)L}$에 의한 종합적 제약은 가장 날카로운 경계를 제공하며, $C_{LL}^{(1)}(m_b)$는 1σ에서 $[-2.65, -0.849]$로 제약되고, 2σ에서는 $[-4.06, -0.209]$로 제약된다.