[논문 리뷰] Understanding the first measurement of $\mathcal{B}(B o K ν\barν)$

Lukas Allwicher, Damir Bečirević외 3명|arXiv (Cornell University)|2023. 09. 05.

Particle physics theoretical and experimental studies인용 수 6

한 줄 요약

이 논문은 표준모형 예측을 약 2.9σ 초과하는 벨레 II의 첫 번째 $\mathcal{B}(B^\pm\to K^\pm\nu\bar{\nu})$ 측정을 분석한다. SMEFT 프레임워크를 사용하여, $\tau$-단일 쿠플링 시나리오가 분해율 증가를 설명할 수 있음을 보이며, $R_{K^{(*)}}$와 $\mathcal{B}(B_s\to\mu\mu)$와의 일관성을 유지한다. 그러나 추가적인 비-$b\to s\ell\ell$ 연장자 없이 $R_{D^{(*)}}$ 이질현상은 완전히 설명하지 못한다.

ABSTRACT

Recently, Belle II reported on the first measurement of $\mathcal{B}(B^\pm o K^\pm ν\barν)$ which appears to be almost $3σ$ larger than predicted in the Standard Model. We point out the important correlation with $\mathcal{B}(B o K^{\ast} ν\barν)$ so that the measurement of that decay mode could help restraining the possible options for building the model of New Physics. We then try to interpret this new experimental result in terms of physics beyond the Standard Model by using SMEFT and find that a scenario with coupling only to $τ$ can accommodate the current experimental constraints but fails in getting a desired $R_{D^{(\ast )}}^\mathrm{exp}/R_{D^{(\ast )}}^\mathrm{SM}$, unless one turns the other SMEFT operators that are not related to $b o s\ell\ell$ or/and $b o sνν$.

연구 동기 및 목표

• 표준모형 예측을 약 2.9σ 초과하는 벨레 II의 $\mathcal{B}(B^\pm\to K^\pm\nu\bar{\nu}})$ 측정 결과를 뉴 피직스의 맥락에서 해석하기.
• 이 결과가 $R_{K^{(*)}}$, $\mathcal{B}(B_s\to\mu\mu)$, $R_{D^{(*)}}$로부터의 기존 제약 조건과 일관된지 평가하기.
• SMEFT 프레임워크 내에서 $B\to K\nu\bar{\nu}}$ 증가와 다른 $b\to s$ 전이를 동시에 수용할 수 있는 뉴 피직스 연장자 결정하기.
• $b\to s\nu\bar{\nu}}$ 전이가 뮤온 또는 다른 렙톤 편미로 쿠플링될 수 있는지 탐색하고, 이는 $R_{D^{(*)}}$에 미치는 영향 분석하기.

제안 방법

• SMEFT 프레임워크를 사용하여 $b\to s\nu\bar{\nu}}$ 및 $b\to s\ell\ell$ 연장자의 윌슨 계수 간의 관계 설정하기.
• $R_{K^{(*)}}=0.930(97)$, $\mathcal{B}(B_s\to\mu\mu)=3.35(27)\times10^{-8}$, $R_{D^{(*)}}^{\text{exp}}/R_{D^{(*)}}^{\text{SM}}\approx1.05$ 등의 실험적 제약 조건 적용하기.
• $\mathcal{C}_{lq}^{(1)}$, $\mathcal{C}_{lq}^{(3)}$, 스칼라/텐서 연장자가 $\mathcal{B}(B\to K\nu\bar{\nu}})$ 및 $R_{D^{(*)}}$에 미치는 영향 평가하기.
• $\tau$-단일 쿠플링, 뮤온 쿠플링, 비대칭 렙톤 쿠플링에 대한 허용 가능한 매개변수 공간을 제약하기 위해 글로벌 피팅 수행하기.
• lattice QCD 형상 인자 제약 조건을 사용하여 표준모형 및 뉴 피직스 시나리오에서 $\mathcal{B}(B\to K\nu\bar{\nu}})$의 $q^2$-의존성 모델링하기.
• 왼쪽 및 오른쪽 수동 $b\to s\nu\bar{\nu}}$ 쿠플링을 모두 고려하고, $\Delta m_s$ 및 $\mathcal{B}(B\to K\nu\bar{\nu}})$로부터 뉴 피직스 질량에 대한 경계 유도하기.

Figure 1: The correlation between $\mathcal{B}(B\to{K^{\ast}}{\nu\nu})$ and $\mathcal{B}(B\to K{\nu\nu})$ decays with respect to the variation of $\delta C_{L}$ or $\delta C_{R}$ . The shaded gray area correspond to $1\sigma$ and $2\sigma$ of the recent Belle II result for $\mathcal{B}(B\to K{\nu\nu

실험 결과

연구 질문

• RQ1 벨레 II의 $\mathcal{B}(B^\pm\to K^\pm\nu\bar{\nu}})$ 측정 결과는 SMEFT 프레임워크 내에서 $\tau$-단일 쿠플링으로 설명될 수 있는가?
• RQ2 관측된 $B\to K\nu\bar{\nu}}$ 증가 현상으로부터 오른쪽 수동 $b\to s\nu\bar{\nu}}$ 쿠플링에 대한 제약 조건은 무엇인가?
• RQ3 왜 뮤온 쿠플링 시나리오는 $R_{K^{(*)}}$와 $\mathcal{B}(B_s\to\mu\mu)$ 제약 조건을 만족함에도 불구하고 데이터를 설명하지 못하는가?
• RQ4 $R_{D^{(*)}}$ 이질현상은 일관된 SMEFT 모형에서 $B\to K\nu\bar{\nu}}$ 측정 결과와 조화를 이룰 수 있는가?
• RQ5 비대칭 렙톤 쿠플링은 $\mathcal{B}(B\to K\nu\bar{\nu}})$ 및 $\mathcal{B}(B\to K\mu\tau)$에 어떤 영향을 미치는가?

주요 결과

• $\mathcal{B}(B^\pm\to K^\pm\nu\bar{\nu}})=2.40(67)\times10^{-5}$인 벨레 II 측정 결과는 $R^{K}_{\nu\nu}=5.4\pm1.5$를 암시하며, 이는 표준모형 예측으로부터 약 2.9σ의 편차를 나타낸다.
• $\tau$-단일 쿠플링 시나리오는 $B\to K\nu\bar{\nu}}$ 증가를 설명하면서도 $R_{K^{(*)}}$와 $\mathcal{B}(B_s\to\mu\mu)$와의 일관성을 유지한다.
• 오직 $\tau$ 쿠플링만 있는 시나리오는 $R_{D^{(*)}}$ 이질현상을 설명하지 못하며, $R_{D^{(*)}}^{\text{exp}}/R_{D^{(*)}}^{\text{SM}}\approx1.05$로 예측하여 관측된 값보다 낮다.
• $\mathcal{B}(B\to K^\ast\nu\bar{\nu}})$ 값이 표준모형 예측의 최대 1.8배까지 증가하는 것을 설명하기 위해 오른쪽 수동 $b\to s\nu\bar{\nu}}$ 쿠플링이 필요하다.
• $\mathcal{C}_{lq}^{(1)}$ 윌슨 계수는 $\mathcal{B}(B_s\to\mu\mu)$에 의해 엄격히 제약을 받으며, 이는 뮤온 쿠플링을 배제한다.
• $\mu$와 $\tau$에 대한 비대칭 쿠플링은 큰 $\mathcal{B}(B\to K\mu\tau)$를 초래하며, 이는 현재 실험적 한계 이하에 있지만 고에너지 $p_T$ $\ell\ell$ 탐색 실험으로부터 제약을 받는다.

Figure 2: Similar to Fig. 1 we show how the fraction of $B\to{K^{\ast}}{\nu\nu}$ with longitudinally polarized $K^{\ast}$ responds to the variation of $\delta C_{L}$ or $\delta C_{R}$ . Note that the yellow and purple curves correspond to those shown in Fig. 1 , each associated with the allowed rang