[논문 리뷰] The decay $B o K+ν+\barν$ at Belle II and a massless bino in R-parity-violating supersymmetry

Zeren Simon Wang, Herbert K. Dreiner외 1명|arXiv (Cornell University)|2023. 09. 07.

Particle physics theoretical and experimental studiesPhysics and Astronomy인용 수 3

한 줄 요약

이 논문은 빌레 II 실험에서 관측된 희귀한 $B^+ \to K^+ \nu\bar{\nu}$ 붕괴가 3.6σ의 유의수준으로 나타났으며, 이는 표준모형 예측보다 2.8σ 높다. 이 현상은 질량이 0인 빈오를 가진 R-대칭성 위반 초대칭으로 설명될 수 있다. 붕괴는 비제로인 $\lambda'_{i23}$ 또는 $\lambda'_{i32}$ 상호작용 계수에 의해 1차적으로 유도되는 $B^+ \to K^+ \nu\tilde{\chi}_1^0$ 과정을 통해 일어나며, 이는 현재의 실험적 제약 조건을 회피하면서도 측정값을 2σ 이내로 수용할 수 있는 광범위한 매개변수 공간을 포함한다.

ABSTRACT

Recently, exttt{Belle II} announced evidence for the decay $B^+ o K^+ +ν+\barν$ at the $3.5\,σ$ significance, and measured the corresponding decay branching ratio to be $2.7\,σ$ above the Standard Model prediction. Here, we provide a theoretical explanation based on a massless bino in R-parity-violating (RPV) supersymmetry. With a single non-vanishing RPV coupling $λ'_{i23/i32}$, $λ'_{i13/i33}$, or $λ'_{i12/i22}$, where $i=1,2,3$, the decay $B^+ o K^+ +\overset{\scriptscriptstyle(-)}{ν_i}+ ildeχ^0_1$ can be induced, which would lead to the same signature as $B^+ o K^+ +ν+\barν$. Taking into account both theoretical and experimental uncertainties, we derive the regions of the parameter space spanned by the RPV couplings and sfermion masses that could accommodate the new measurement at various significance levels and obey the existing bounds simultaneously.

연구 동기 및 목표

• 빌레 II에서 관측된 $B^+ \to K^+ \nu\bar{\nu}$ 붕괴가 3.6σ의 유의수준으로 나타났으며, 이는 표준모형 예측보다 2.8σ 높다. 이 현상을 설명한다.
• R-대칭성 위반 초대칭에서 질량이 0인 빈오가 관측된 붕괴 분율 증가를 설명할 수 있는지 조사한다.
• 빌레 II 측정치를 2σ 이내로 설명하면서도 현재의 실험 제약 조건을 만족하는 RPV 상호작용 계수와 스퍼미온 질량 매개변수 공간의 유효한 영역을 규명한다.

제안 방법

• 비제로인 $\lambda'_{ijk}$ 상호작용 계수를 가진 R-대칭성 위반 초대칭 모형을 구성하여, $B^+ \to K^+ \nu\tilde{\chi}_1^0$ 붕괴를 1차적으로 생성한다.
• 중량이 큰 스퍼미온을 통합하기 위해 효과적 필드 이론을 사용하여, $b \to s \nu\tilde{\chi}_1^0$ 전이에 대한 효과적 4 Fermi 상호작용을 유도한다.
• 다양한 $\lambda'_{i23}$, $\lambda'_{i32}$, $\lambda'_{i13}$, $\lambda'_{i33}$, $\lambda'_{i12}$, $\lambda'_{i22}$ 상호작용 계수에 대해 붕괴 너비 $\Gamma(B^+ \to K^+ \nu\tilde{\chi}_1^0)$ 를 계산한다.
• 플레버 억제 효과를 반영하기 위해 CKM 행렬 요소를 포함한다. 이는 $\lambda'_{i13}$, $\lambda'_{i33}$, $\lambda'_{i12}$, $\lambda'_{i22}$ 경우에 해당한다.
• 예측된 분열 비율을 빌레 II의 측정값 $(2.4 \pm 0.7) \times 10^{-5}$ 와 비교하며, 이론적 및 실험적 불확도를 포함하여 유의수준을 평가한다.
• 현재의 $\lambda'$ 상호작용 계수에 대한 실험 제약 조건을 적용하여 유효한 매개변수 공간을 제약한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 R-대칭성 위반 초대칭에서 질량이 0인 빈오가 빌레 II에서 관측된 $B^+ \to K^+ \nu\bar{\nu}$ 붕괴를 3.6σ의 유의수준으로 설명할 수 있는가?
• RQ2 어떤 RPV 상호작용 계수 $\lambda'_{ijk}$ 가 1차적으로 $B^+ \to K^+ \nu\tilde{\chi}_1^0$ 붕괴를 유도하여 표준모형의 $B^+ \to K^+ \nu\bar{\nu}$ 시그니처를 모방할 수 있는가?
• RQ3 $\lambda'$ 상호작용 계수와 스퍼미온 질량 매개변수 공간의 어떤 영역이 동시에 빌레 II 측정치를 2σ 이내로 설명하고 현재의 실험 제약 조건을 만족하는가?
• RQ4 CKM 억제 효과는 다양한 $\lambda'$ 상호작용 계수의 유효성에 어떤 영향을 미치는가? 이는 관측된 분열 비율 증가를 설명하는 데에 중요한가?
• RQ5 $\lambda'_{i23}$ 와 $\lambda'_{i32}$ 상호작용 계수는 기존의 제약 조건과 일관되면서도 빌레 II 결과를 타당하게 설명할 수 있는가?

주요 결과

• $\lambda'_{i23}$ 와 $\lambda'_{i32}$ 상호작용 계수는 거의 동일한 결과를 낳으며, 매개변수 공간의 광범위한 영역에서 측정값을 2σ 이내로 설명할 수 있다.
• $\lambda'_{i23}$ 와 $\lambda'_{i32}$ 경우, 빌레 II 측정값의 2σ 영역은 현재의 $\lambda'$ 상호작용 계수 제약 조건과 일치하며, 특히 스퍼미온 질량이 일치하고 충분히 무거울 경우 더욱 그렇다.
• $\lambda'_{i13}$ 와 $\lambda'_{i33}$ 상호작용 계수의 경우, 작은 $V_{ts}$로 인해 CKM에 의해 강하게 억제되어 기여가 제한되며, 측정값을 설명하기 위해 큰 $\lambda'$ 값과 작은 스퍼미온 질량이 필요하다. 그러나 이러한 조건은 일반적으로 현재의 제약 조건에 의해 배제된다.
• $\lambda'_{i12}$ 와 $\lambda'_{i22}$ 상호작용 계수도 CKM에 의해 억제되며, $\lambda'_{i12}$ 는 현재의 제약 조건을 초월하는 10배 이상의 큰 $\lambda'$ 값을 요구하고, $\lambda'_{i22}$ 는 측정치와 제약 조건을 동시에 만족하는 작은 매개변수 영역만 가능하다.
• $\lambda'_{133}$ 의 경우, 현재의 상호작용 계수 제약 조건이 2σ 영역보다 수 개의 주기수만큼 더 강해, 유효한 매개변수 공간 전체가 효과적으로 배제된다.