[논문 리뷰] Review of Semileptonic $B$ Anomalies

Bernat Capdevila, Andreas Crivellin외 1명|arXiv (Cornell University)|2023. 09. 04.

Particle physics theoretical and experimental studiesPhysics and Astronomy참고 문헌 176인용 수 3

한 줄 요약

이 논문은 반-르프톤 B 붕괴에서의 이질현상들을 검토하며, b →sℓ+ℓ− 및 b →cτν 붕괴에서 표준모형 예측과의 상당한 이격을 규명한다. 좌측 스핀 벡터 전류(예: U1 르프톤쿠아크 또는 S1+S3 스칼라 르프톤쿠아크)를 통한 통합된 뉴피직스 설명을 제안하여 R(D∗), P′5 이질현상, RK를 동시에 설명하며, CU9에 20%의 뉴피직스 기여를 포함해 전반적인 유의수준 6.3σ를 달성한다.

ABSTRACT

We review the current status and implications of the anomalies (i.e. deviations from the Standard Model predictions) in semi-leptonic $B$ meson decays, both in the charged and in the neutral current. In $b o s\ell^+\ell^-$ transitions significant tensions between measurements and the Standard Model predictions exist. They are most pronounced in the branching ratios ${\cal B}_{B o Kμ^+μ^-}$ and ${\cal B}_{B_s oϕμ^+μ^-}$ (albeit quite dependent on the form factors used) as well as in angular observables in $B o K^*μ^+μ^-$ (the $P_5^\prime$ anomaly). Because the measurements of ${\cal B}_{B_s o μ^+μ^-}$ and of the ratios $R_K$ and $R_{K^*}$ agree reasonably well with the SM predictions, this points towards (dominantly) lepton flavour universal New Physics coupling vectorially to leptons, i.e. contributions to $C_9^{ m U}$. In fact, global fits prefer this scenario over the SM hypothesis by $5.8σ$. Concerning $b o cτν$ transitions, $R(D)$ and $R(D^*)$ suggest constructive New Physics at the level of $10\%$ (w.r.t. the Standard Model amplitude) with a significance above $3σ$. We discuss New Physics explanations of both anomalies separately as well as possible combined explanations. In particular, a left-handed vector current solution to $R(D^{(*)})$, either via the $U_1$ leptoquark or the combination of the scalar leptoquarks $S_1$ and $S_3$, leads to an effect in $C_9^{ m U}$ via an off-shell penguin with the right sign and magnitude and a combined significance (including a tree-level effect resulting in $C_{9μ}^\mathrm{V}=-C_{10μ}^\mathrm{V}$ and $R(D^{(*)})$) of $6.3σ$. Such a scenario can be tested with $b o s τ^+τ^-$ decays. Finally, we point out an interesting possible correlation of $R(D^{(*)})$ with non-leptonic $B$ anomalies.

연구 동기 및 목표

• 반-르프톤 B 붕괴 이질현상의 현재 실험적 및 이론적 상태를 평가하는 것.
• b→sℓ+ℓ− 및 b→cτν 이질현상에 대한 뉴피직스 설명의 글로벌 피팅을 평가하는 것.
• 단일 뉴피직스 프레임워크로 다수의 이질현상을 동시에 설명할 수 있는 통합적 설명을 탐색하는 것.
• 제안된 뉴피직스 시나리오에 대한 검증 가능한 예측, 예를 들어 b→sτ+τ− 붕괴를 식별하는 것.

제안 방법

• 약한 유효 이론(WET)과 유효 해밀토니안을 사용하여 반-르프톤 B 붕괴 관측량의 글로벌 피팅을 수행한다.
• B→K∗μ+μ−, Bs→ϕμ+μ−, B→Kμ+μ−에서 분해비율, 각도 관측량(P′5 등), LFU 비율(RK, RK∗)을 분석한다.
• 핵심 불확실성을 줄이고 단거리 뉴피직스에 대한 민감도를 높이기 위해 최적화된 관측량 P′1,2,3,4,5,6,8을 적용한다.
• 모델 독립 피팅과 특정 뉴피직스 모델(예: U1 르프톤쿠아크, 스칼라 르프톤쿠아크 S1 및 S3, Z′ 보존)을 고려한다.
• 특히 C9μ 및 C10μ에 대한 뉴피직스 기여와 R(D∗) 및 R(K∗)에 미치는 영향을 평가한다.
• LHCb의 비분할 분석에서 데이터 기반 채론 루프 결정을 활용하여 P′5에 대한 뉴피직스 기여를 검증한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 b→sℓ+ℓ− 및 b→cτν 이질현상들이 뉴피직스로 해석될 경우, 전체적으로 유의미한 수준은 어느 정도인가?
• RQ2 단일 뉴피직스 모델이 B→K∗μ+μ−에서 R(D∗) 이질현상과 P′5 이질현상 둘 다를 설명할 수 있는가?
• RQ3 U1 르프톤쿠아크 또는 S1+S3 스칼라 르프톤쿠아크 모델이 리프레젠테이션 불일치(LFU) 위반 및 LFU 유지 관측량에 미치는 영향은 무엇인가?
• RQ4 Bs−B¯s 혼합 및 b→sτ+τ− 붕괴에서의 제약 조건은 타당한 뉴피직스 시나리오에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ5 미래 측정치, 예를 들어 R(B→Kτ+τ−)에 대한 통합 시나리오의 예측 능력은 어떠한가?

주요 결과

• 글로벌 피팅은 표준모형보다 뉴피직스 시나리오를 선호하며, CU9에 대한 뉴피직스 기여를 포함해 전체적으로 6.3σ의 유의수준을 달성한다. 이는 R(D∗)를 포함한 결과이다.
• B→K∗μ+μ−에서 P′5 이질현상은 두 개의 밴드에서 약 2σ의 이격을 보이며, 이는 양성자 모드 측정치에 의해 지지된다.
• U(2)q 품질 대칭을 가진 U1 르프톤쿠아크 모델은 R(D∗)와 P′5 이질현상 간 자연스러운 연관성을 제공하며, RK = 0.909 ± 0.060 및 RK∗ = 0.914 ± 0.053를 예측한다.
• 이 시나리오는 R(D∗) 수준의 측정 가능한 b→sτ+τ− 분해비율을 예측하며, LHCb에서 검증 가능할 수 있다.
• S1 르프톤쿠아크를 통한 설명은 최근의 비르프레젠테이션 B 붕괴 이질현상과도 관련이 있을 수 있다.
• 비분할 LHCb 분석은, 이전 피팅에서와 동일한 크기의 C9에 대한 뉴피직스 기여가 P′5를 설명하기 위해 필요하다는 것을 확인한다. 이는 데이터 기반 채론 루프 결정에도 불구하고 동일한 결과를 도출한다.