[논문 리뷰] The Global Fits of New Physics in $b o s $ after $R_{K^{(*)}}$ 2022 Release

Qiaoyi Wen, Fanrong Xu|arXiv (Cornell University)|2023. 05. 30.

Particle physics theoretical and experimental studiesPhysics and Astronomy인용 수 3

한 줄 요약

이 논문은 LHCb, CMS, ATLAS, Belle, BaBar로부터의 200개 이상의 관측량을 사용하여 $b\to s\ell^+\ell^-$ 전이에서의 새로운 물리 현상에 대한 글로벌 피팅을 수행한다. 이는 2022년 $R_{K^{(*))}}$ 업데이트 이전과 이후 모두에 해당한다. $R_{K^{(*)}}$ 이４ anomalies의 명백한 상쇄에도 불구하고, 연구는 뮤온 채널의 $\Delta C_9^\mu$ 윌슨 계수에서 지속적인 $\sim4\sigma$ 편차를 발견하여, $b\to s\ell^+\ell^-$에서의 새로운 물리 현상이 여전히 타당하다는 것을 시사한다.

ABSTRACT

The measurement of lepton universality parameters $R_{K^{(*)}}$ was updated by LHCb in December 2022, which indicated that the well-known anomalies in flavor-changing neutral current (FCNC) processes of B meson decays have faded away. However, does this mean that all new physics possibilities related to $b o s\ell^+\ell^-$ have been excluded? We aim to answer this question in this work. The state-of-the-art effective Hamiltonian is adopted to describe $b o s$ transition, while BSM (beyond the Standard Model) new physics effects are encoded in Wilson coefficients (WCs). Using around 200 observables in leptonic and semileptonic decays of B mesons and bottom baryons, measured by LHCb, CMS, ATLAS, Belle, and BaBar, we perform global fits of these Wilson coefficients in four different scenarios. In particular, lepton flavors in WCs are specified in some of the working scenarios. To see the change of new physics parameters, we use both the data before and after the 2022 release of $R_{K^{(*)}}$ in two separate sets of fits. We find that in three of the four scenarios, $ΔC_9^μ$ still has a deviation around or more than $4σ$ from the Standard Model. The lepton flavor in WCs is distinguishable for $ΔC_{9}$ at the $1σ$ level, but at the $2σ$ level all the operators are flavor identical. We demonstrate numerically that there is no chirality for muon type of scalar operator and it is kept at the $1σ$ level for their electron type dual ones, while chiral difference exists for $\mathcal{O}_{9}^μ$ at least at the $2σ$ level. Moreover, it can be deduced that the scalar operators $\mathcal{O}_{S,P}^{(')μ}$ become null if new physics emerges in terms of SMEFT (Standard Model Effective Field Theory) up to dimension-6.

연구 동기 및 목표

• 2022년 LHCb의 $R_{K^{(*)}}$ 업데이트 이후, 렙톤 유니버설리티 위반 이상 현상이 크게 감소한 상황에서 $b\to s\ell^+\ell^{-}$ 붕괴에서의 새로운 물리 현상의 타당성을 재평가하는 것.
• B 메손 및 바텀 바리온 붕괴에서의 200개 이상의 관측량을 포함한 종합적 데이터셋을 사용하여 효과적 장이론 프레임워크 내에서 윌슨 계수를 글로벌 피팅하는 것.
• 2022년 업데이트 이전에 관측된 $\sim4\sigma$ 편차가 $R_{K^{(*)}}$ 업데이트 이후에도 여전히 유지되는지 조사하는 것.
• 특히 $1\sigma$ 및 $2\sigma$ 수준에서 뮤온과 전자 유형의 윌슨 계수 간의 맛의 구조를 구분할 수 있는지 검토하는 것.
• SMEFT에서 차원 6까지의 스칼라 연산자 $\mathcal{O}_{S,P}^{(\prime)\mu}$가 사라지는지 테스트하고, $\mathcal{O}_9^\mu$의 카이랄리티 구조를 평가하는 것.

제안 방법

• 강한 스케일에서의 윌슨 계수로 새로운 물리 현상 효과를 코딩한 최신 효과적 해밀토니안을 사용하여 $b\to s\ell^+\ell^{-}$ 전이를 분석한다.
• 반응형 행위를 포함한 이론적 및 실험적 불확실성을 반영하여, 반응형 붕괴의 강한 행렬 원소를 QCDF 접근법으로 계산한다.
• 다양한 윌슨 계수 조합을 포함한 네 가지 다른 시나리오에 대해 베이지안 글로벌 피팅을 수행한다. 이 중에는 뮤온 및 전자 유형의 연도를 명시적으로 포함한 경우도 포함된다.
• 2022년 $R_{K^{(*)}}$ 업데이트 이전과 이후의 데이터를 비교하여, 수정된 $R_{K^{(*)}}$ 측정치의 영향을 평가한다.
• 이론적 및 실험적 오차를 포함하는 가능도 함수를 사용하며, 주요 관심 변수로 $\Delta C_9^\mu$를 중심으로 한다.
• 수치 시뮬레이션과 통계적 추론을 통해 각 시나리오에서 표준모형에서의 편차의 유의미성을 결정한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 2022년 LHCb의 $R_{K^{(*)}}$ 업데이트로 인해 이상 현상이 표준모형 예측에 가까워졌지만, 이는 $b\to s\ell^+\ell^{-}$ 전이에서의 새로운 물리 현상을 배제하는가?
• RQ2 업데이트된 $R_{K^{(*)}}$ 데이터 이후에도 여전히 지속되는 $\sim4\sigma$ 편차는 $\Delta C_9^\mu$가 타당한가?
• RQ3 특히 $\Delta C_9^\mu$ 및 스칼라 연산자에 대해, 뮤온과 전자 맛의 구조가 $1\sigma$ 또는 $2\sigma$ 수준에서 구분 가능한가?
• RQ4 $R_{K^{(*)}}$에서 $\sim4\sigma$ 편차가 관측되지 않음으로써, SMEFT에서 차원 6까지의 스칼라 연산자 $\mathcal{O}_{S,P}^{(\prime)\mu}$가 반드시 사라져야 한다는 의미인가?
• RQ5 $\mathcal{O}_9^\mu$ 연산자에 카이랄리티가 존재하는가? 만약 존재한다면, 그 유의미성은 어느 정도인가?

주요 결과

• 2022년 $R_{K^{(*)}}$ 업데이트는 표준모형에서 $0.2\sigma$ 편차를 보였지만, 윌슨 계수 $\Delta C_9^\mu$는 여전히 표준모형 예측에서 $\sim4\sigma$ 편차를 보인다.
• 업데이트된 $R_{K^{(*)}}$ 데이터 이후에도 고려된 네 가지 시나리오 중 세 개에서 뮤온 유형의 $\Delta C_9^\mu$ 편차는 $4\sigma$ 수준에서 유의미하다.
• $\Delta C_9^\mu$의 경우 렙톤 맛이 $1\sigma$ 수준에서 구분 가능하여, 새로운 물리 상호작용의 비유니버설리티가 가능함을 시사한다.
• $2\sigma$ 수준에서는 모든 연산자가 맛이 동일한 것으로 일관되며, 현재 데이터로는 맛의 구조가 아직 배제되지 않았음을 의미한다.
• 수치 분석 결과, 뮤온 유형의 스칼라 연산자에는 카이랄리티가 없지만, $\mathcal{O}_9^\mu$에는 $2\sigma$ 수준에서 카이랄리티 차이가 존재한다.
• 이 연구는 현재 제약 조건 하에, 새로운 물리 현상이 SMEFT에서 차원 6까지 발생한다면 스칼라 연산자 $\mathcal{O}_{S,P}^{(\prime)\mu}$는 반드시 사라져야 한다고 결론 내린다.