[논문 리뷰] Scrutinizing $\bar B o D^*(D \pi) \ell^- \bar u_\ell$ and $\bar B o D^*(D \gamma) \ell^- \bar u_\ell$ in search of new physics footprints

Pietro Colangelo, Fulvia De Fazio|arXiv (Cornell University)|2018. 01. 31.

Particle physics theoretical and experimental studies참고 문헌 44인용 수 10

한 줄 요약

이 논문은 $\bar{B} \to D^*(D\pi)\ell^-\bar{\nu}_\ell$ 및 $\bar{B} \to D^*(D\gamma)\ell^-\bar{\nu}_\ell$ 반응에서의 각도 분포를 조사하여, 강입자 형상 인자 매개변수화의 영향을 분석하고, 렙톤 페어 유니버설리티(LFU) 위반을 통한 새로운 물리학(NP) 탐지 가능성을 탐색한다. 각도 계수는 다양한 형상 인자 매개변수화 방식을 구분할 수 있으며, 특히 효과 해밀토니안 내의 텐서 연산자에 의해 영향을 받는다. 이는 표준모형을 초월한 LFU 검증을 위한 새로운 관측 가능성을 제공한다.

ABSTRACT

Besides being important to determine Standard Model parameters such as the CKM matrix elements $|V_{cb}|$ and $|V_{ub}|$, semileptonic $B$ decays seem also promising to reveal new physics (NP) phenomena, in particular in connection with the possibility of uncovering lepton flavour universality (LFU) violating effects. In this view, it could be natural to connect the tensions in the inclusive versus exclusive determinations of $|V_{cb}|$ to the anomalies in the ratios $R(D^{(*)})$ of decay rates into $ au$ vs $\mu, e$. However, the question has been raised about the role of the parametrization of the hadronic $B o D^{(*)}$ form factors in exclusive $B$ decay modes. We focus on the fully differential angular distributions of $\bar B o D^* \ell^-{\bar u}_\ell$ with $D^* o D \pi$ or $D^* o D \gamma$, the latter mode being important in the case of $B_s o D_s^*$ decays. We show that the angular coefficients in the distributions can be used to scrutinize the role of the form factor parametrization and to pin down deviations from SM. As an example of a NP scenario, we include a tensor operator in the $b o c$ semileptonic effective Hamiltonian, and discuss how the angular coefficients allow to construct observables sensitive to this structure, also defining ratios useful to test LFU.

연구 동기 및 목표

• 배타적 B 붕괴에서 강입자 형상 인자 매개변수화의 역할을 평가하며, 특히 $|V_{cb}|$의 포함적-배타적 불일치와의 관련성을 다룬다.
• $\bar{B} \to D^*(D\pi)\ell^-\bar{\nu}_\ell$ 및 $\bar{B} \to D^*(D\gamma)\ell^-\bar{\nu}_\ell$의 각도 분포가 형상 인자 모델링의 모순을 해결하는 데 기여할 수 있는지 탐색한다.
• 형상 인자에 대한 각도 계수의 민감도를 분석하여, $b \to c$ 반응에서의 새로운 물리학, 특히 $b \to c$ 반응의 효과 해밀토니안 내 텐서 전류의 영향을 탐색한다.
• 렙톤 페어 유니버설리티를 검증하기 위한 새로운 관측 가능성을 각도 계수에서 도출한다.

제안 방법

• $\bar{B} \to D^*(D\pi)\ell^-\bar{\nu}_\ell$ 및 $\bar{B} \to D^*(D\gamma)\ell^-\bar{\nu}_\ell$의 완전한 미분 붕괴율을 각도 계수 함수의 형태로 유도한다.
• Caprini-Lellouch-Neubert(CLN) 및 Boyd-Grinstein-Lebed(BGL) 형상 인자 매개변수화를 사용하여 각도 분포를 표현한다.
• 새로운 물리학을 모델링하기 위해 효과 해밀토니안에 텐서 연산자를 도입하고, 렙톤 페어에 따라 달라지는 결합을 고려한다.
• NP 시나리오 하에서 수정된 각도 계수를 계산하고, 렙톤 페어 유니버설리티를 검증하기 위한 비율을 정의한다.
• 특정 텐서 전류와 표준모형에서의 이탈에 민감한 새로운 관측 가능성을 제안한다.
• $D^* \to D\gamma$ 붕괴 모드를 $B_s \to D_s^*\ell\bar{\nu}_\ell$ 전이의 탐사 수단으로 사용하며, 이는 $B_s$ 붕괴에 관련이 있다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 $\bar{B} \to D^*(D\pi)\ell^-\bar{\nu}_\ell$ 및 $\bar{B} \to D^*(D\gamma)\ell^-\bar{\nu}_\ell$의 각도 분포가 CLN 및 BGL과 같은 다양한 형상 인자 매개변수화 방식을 구분할 수 있는가?
• RQ2 효과 해밀토니안에 텐서 전류가 포함될 경우 각도 계수가 어떻게 반응하는가? 그리고 이는 $b \to c$ 전이에서 새로운 물리학을 탐지할 수 있는가?
• RQ3 각도 계수의 비율이 반응에서 렙톤 페어 유니버설리티 위반을 얼마나 잘 탐지할 수 있는가?
• RQ4 $D^* \to D\gamma$ 붕괴 모드가 $B_s \to D_s^*\ell\bar{\nu}_\ell$ 붕괴에서 새로운 물리학을 탐지하는 청결한 서명을 제공할 수 있는가?
• RQ5 NP가 포함된 경우 각도 관측 가능성이 $|V_{cb}|$의 포함적-배타적 불일치에 대해 얼마나 민감한가?

주요 결과

• $\bar{B} \to D^*(D\pi)\ell^-\bar{\nu}_\ell$ 및 $\bar{B} \to D^*(D\gamma)\ell^-\bar{\nu}_\ell$의 각도 계수는 형상 인자 매개변수화의 선택에 민감하며, CLN 대비 BGL 모델을 검증할 수 있는 방법을 제공한다.
• 효과 해밀토니안에 텐서 연산자를 포함시키면 각도 계수가 수정되며, 이는 새로운 물리학의 명확한 서명을 제공한다.
• 특정 각도 계수의 비율이 렙톤 페어 유니버설리티 위반, 특히 $\tau$-모드 붕괴에서 민감하게 반응함을 제안한다.
• $D^* \to D\gamma$ 붕괴 모드가 $B_s \to D_s^*\ell\bar{\nu}_\ell$ 붕괴에서 새로운 물리학을 탐지하는 데 유의미한 채널임을 입증한다.
• 이 연구는 각도 관측 가능성이 형상 인자 매개변수화를 동시에 제약하고 새로운 물리학을 탐지할 수 있음을 보여주며, 이는 이중 진단 도구를 제공한다.
• 결과는 $|V_{cb}|$ 불일치가 개선된 형상 인자 모델링과 새로운 물리학, 특히 텐서 전류가 존재할 경우의 조합으로 해결될 수 있음을 시사한다.