[논문 리뷰] Semi-inclusive $b o s\bar{\ell}\ell$ transitions at high $q^2$

Gino Isidori, Zachary Polonsky외 1명|Zurich Open Repository and Archive (University of Zurich)|2023. 05. 04.

High-Energy Particle Collisions Research인용 수 5

한 줄 요약

이 논문은 높은 이론자량 질량($q^2 \geq 15~\text{GeV}^2$)에서 $b\to s\bar{\ell}\ell$ 붕괴율에 대한 업데이트된 표준모형 예측을 제시한다. 이는 포함형 $B\to X_s\bar{\ell}\ell$ 및 $B\to X_u\bar{\ell}\nu$ 붕괴율의 비율을 사용하여 도출되었으며, 주요 배타적 모드를 합산함으로써 검증되었다. 포함형과 준포함형 표준모형 예측 간 양호한 일치를 보였지만, 데이터는 양성자 모드에서 형성된 약 $2\sigma$의 부족함을 보였으며, 이는 강한 형상 인자의 영향을 받지 않아 표준모형과의 지속적인 갈등을 뒷받침한다.

ABSTRACT

We present an updated Standard Model (SM) estimate of the inclusive $b o s\bar{\ell}\ell$ rate at high dilepton invariant mass ($q^2\geq 15~{ m GeV}^2$). We show that this estimate is in good agreement with the result obtained summing the SM predictions for the leading one-body modes ($K$ and $K^*$) and the subleading non-resonant $Kπ$ channel (for which we also present an updated estimate). On the contrary, the semi-inclusive sum based on data exhibits a deficit compared to the inclusive SM prediction in the muon modes. The statistical significance of this deficit does not exceed $2σ$, but is free from uncertainties on hadronic form factors, and fully compatible with the deficit observed at low-$q^2$ on the exclusive modes. The implications of these results in conjunction with other SM tests on $b o s\barμμ$ modes are briefly discussed.

연구 동기 및 목표

• 고 $q^2$ 영역에서 $b\to s\bar{\ell}\ell$ 붕괴율에 대한 새로운 형상 인자에 의존하지 않는 추정치를 제시하기 위해, $B\to X_s\bar{\ell}\ell$ 및 $B\to X_u\bar{\ell}\nu$ 붕괴율의 비율을 사용한다.
• 최신 $B\to K\pi\bar{\ell}\ell$ 채널 추정치를 활용하여 준포함형 접근법이 포함형 예측과 일치하는지 검증한다.
• 강한 형상 인자에 의존하지 않는 고 $q^2$ 영역에서 표준모형이 데이터와 일치하는지 평가한다.
• 관측된 양성자 모드의 이질성의 의미를 새로운 물리학, 특히 렙톤의 종류 간 유니버설리티 위반의 맥락에서 평가한다.

제안 방법

• 포함형 $b\to s\bar{\ell}\ell$ 붕괴율은 비율 $R^{(\ell)}_{\rm incl}(q_0^2) = \Gamma(B\to X_s\bar{\ell}\ell)_{[q_0^2]} / \Gamma(B\to X_u\bar{\ell}\nu)_{[q_0^2]}$을 통해 계산되며, 이는 비양자역학적 불확실성을 억제한다.
• 비율은 $q^2$에 따라 변화하는 Belle의 실험 측정치를 기반으로 한 $\Gamma(B\to X_u\bar{\ell}\nu)$를 사용하여 평가된다.
• 준포함형 붕괴율은 $q^2 \geq 15~\text{GeV}^2$에서 $B\to K$, $B\to K^*$, $B\to K\pi$ 모드의 표준모형 예측을 합산함으로써 재구성된다.
• $B\to K\pi\bar{\ell}\ell$ 붕괴율은 고 $q^2$ 영역에서 효과적 장이론 및 무거운 쿼크 전개 기법을 사용하여 업데이트된다.
• 단거리 물리학을 기술하기 위해 새로운 효과적 연산자 기저 $\mathcal{O}_V$, $\mathcal{O}_L$, $\mathcal{O}_R$, $\mathcal{O}_S$, $\mathcal{O}_P$를 사용하며, 이는 렙톤 유니버설리티와 렙톤 종류 간 위반 기여를 분리한다.
• 포함형과 준포함형 표준모형 예측 간 일치성을 검증하고, 데이터를 표준모형 예측과 비교하여 이질성을 평가한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 고 $q^2$ 영역에서 포함형 $b\to s\bar{\ell}\ell$ 붕괴율이 표준모형 내에서 주요 배타적 모드의 합과 일치하는가?
• RQ2 비양자역학적 형상 인자를 분석에서 제거했을 때, 고 $q^2$ 영역에서 관측된 준포함형 $B\to X_s\bar{\mu}\mu$ 붕괴율의 부족함이 유지되는가?
• RQ3 관측된 양성자 모드의 이질성이 렙톤 종류 간 위반 기여가 작은 비제로인 윌슨 계수 $\Delta C_L^\mu$에 의해 설명될 수 있는가?
• RQ4 합쳐진 데이터 $B\to X_s\bar{\mu}\mu$, $R_K$, $R_{K^*}$, $\mathcal{B}(B_s\to\bar{\mu}\mu)$는 $b\to s\bar{\ell}\ell$ 진폭에서 새로운 물리학에 대해 어떤 제약을 가하는가?

주요 결과

• 비율 $R^{(\ell)}_{\rm incl}(q_0^2)$를 통해 계산된 고 $q^2$ 영역에서의 포함형 $b\to s\bar{\ell}\ell$ 붕괴율은 $B\to K$, $B\to K^*$, $B\to K\pi$ 모드의 준포함형 합과 양호한 일치를 보였다.
• $B\to K\pi\bar{\ell}\ell$ 채널은 고 $q^2$ 영역에서 총 준포함형 붕괴율의 약 $10\%$ 기여하며, 다중 입자 모드는 추가로 억제된다.
• 고 $q^2$ 영역에서 준포함형 $B\to X_s\bar{\mu}\mu$ 붕괴율에 대한 데이터는 형상 인자 불확실성에 영향을 받지 않으며, 표준모형 예측보다 약 $2\sigma$의 부족함을 보였다.
• 관측된 이질성은 $C_V$ 윌슨 계수의 수정만으로는 설명되지 않으며, 이는 비자연스럽게 큰 수정이 필요하기 때문이다.
• $C_V$와 $\Delta C_L^\mu$를 동시에 피팅함으로써 데이터를 잘 기술할 수 있었으며, $\Delta C_L^\mu = -0.026 \pm 0.019$로 나타나 작은 비제로의 렙톤 종류 간 위반 기여가 존재함을 시사한다.
• 분석은 $\mathcal{O}_V$–$\mathcal{O}_L$ 연산자 기저가 렙톤 종류 간 위반을 탐색하는 데 더 적합함을 확인했다.