[논문 리뷰] Updates on SM predictions of $|V_{cb}|$ and $R(D^{*})$ in $B o D^{*}\ellν_\ell$ decays

Sneha Jaiswal, Soumitra Nandi외 1명|arXiv (Cornell University)|2020. 02. 13.

Particle physics theoretical and experimental studies인용 수 7

한 줄 요약

이 논문은 베일 2019년 데이터를 바탕으로 $B \to D^*\ell\nu_\ell$ 붕괴 분포의 최신 정보를 활용하여 표준모형 예측인 $R(D^*)$ 비율과 배타적 $|V_{cb}|$ 추정치를 갱신한다. 페르미랩-MILC와 JLQCD의 격자 QCD 형상인자와 베이지안 피팅 프레임워크를 사용하여 연구는 $R(D^*) = 0.252^{+0.007}_{-0.006}$ 및 $|V_{cb}| = 39.56^{+0.106}_{-0.104} \times 10^{-3}$를 보고한다. 이는 모두 약 3σ 수준에서 세계 평균과 일치하며, $F_L(D^*)$와 같은 각도 관측량은 측정치와 2σ 수준에서 일치한다.

ABSTRACT

We update the standard model (SM) predictions of $R(D^*)$ using the latest results on the decay distributions in $B o D^* \ell ν_{\ell}$ ($\ell = μ, e$) by Belle collaboration, while extracting $|V_{cb}|$ at the same time. Depending on the inputs used in the analysis, we define various fit scenarios. Although the central values of the predicted $R(D^*)$ in all the scenarios have reduced from its earlier predictions in 2017, the results are consistent with each other within the uncertainties. In this analysis, our prediction of $R(D^*)$ is consistent with the respective world average at $\sim 3σ$. We have also predicted several angular observables associated with $B o D^* τν_τ$ decays. We note that the predicted $F_L(D^*)$ is consistent with the corresponding measurement at 2$σ$. Utilizing these new results, we fit the Wilson coefficients appearing beyond the standard model of particle physics (BSM). To see the trend of SM predictions, we have utilized the recently published preliminary results on the form-factors at non-zero recoil by the lattice groups like Fermilab-MILC and JLQCD and predicted the observables in $B o D^* \ell ν_{\ell}$, and $B o D^* τν_τ$ decays.

연구 동기 및 목표

• 최신 베일 2019년 데이터를 활용하여 $B \to D^*\ell\nu_\ell$ 붕괴 분포를 바탕으로 $R(D^*)$의 표준모형 예측을 갱신한다.
• 빈도주의에서 베이지안 추론으로의 전환을 통해 통계적 방법을 개선하여 $|V_{cb}|$의 배타적 추정치를 재평가한다.
• 실험 데이터, 경계면 수학적 합규칙(LCSR), 그리고 초기 격자 QCD 결과(Fermilab-MILC, JLQCD)를 사용하여 형상인자와 붕괴 분포의 예측을 비교한다.
• 표준모형 예측이 $R(D^*)$와 $F_L(D^*)$의 실험 측정치와 얼마나 일치하는지 평가하고, 윌슨 계수를 통해 뉴 피직스를 제약한다.
• 특히 저반동 영역($w \to 1$)에서 격자 QCD 결과와 데이터 기반 피팅 간의 격차를 평가한다.

제안 방법

• 모든 알려지지 않은 매개변수를 확률 분포로 간주하는 베이지안 통계 프레임워크를 도입하여 $B \to D^*\ell\nu_\ell$ 붕괴 분포를 피팅한다.
• 형상인자에 대해 Caprini-Lellouch-Neubert(CLN) 매개변수화를 사용하고, $q^2 = 0$에서 경계면 수학적 합규칙(LCSR)의 제약 조건을 통합한다.
• 비영역 반동 영역에서의 최근 페르미랩-MILC와 JLQCD의 격자 QCD 형상인자 결과를 통합하여 모델에 의존하지 않는 비교를 가능하게 한다.
• 베일 2019년 데이터를 사용하여 $w$-박스에 따른 미분 붕괴율 분포를 피팅하고, LCSR 입력 여부에 따라 $|V_{cb}|$와 $R(D^*)$를 추출한다.
• 피팅된 형상인자를 사용하여 $B \to D^*\tau\nu_\tau$ 붕괴에서 $F_L(D^*)$ 및 $R(D^*)$와 같은 각도 관측량을 예측한다.
• SM 예측과 측정된 $R(D^*)$ 및 $F_L(D^*)$ 값 간의 비교를 통해 뉴 피직스 연산자의 윌슨 계수를 제약한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 최신 베일 2019년 데이터를 활용하여 $B \to D^*\ell\nu_\ell$ 붕괴 분포를 반영함으로써 $R(D^*)$와 $|V_{cb}|$의 업데이트된 표준모형 예측은 어떻게 변화하는가?
• RQ2 격자 QCD 형상인자(Fermilab-MILC, JLQCD)로부터의 $R(D^*)$ 및 $F_L(D^*)$ 예측은 데이터 기반 피팅과 LCSR 입력과 얼마나 일치하는가?
• RQ3 업데이트된 표준모형 예측인 $R(D^*)$는 현재 세계 평균과 얼마나 일치하는가? 이는 렙톤 대칭성 위반에 어떤 함의를 갖는가?
• RQ4 베이지안 피팅을 통해 도출된 $|V_{cb}|$와 $R(D^*)$ 값은 이전 빈도주의 분석과 비교하여 어떻게 다를까? 불확실성 감소의 영향은 무엇인가?
• RQ5 측정된 $R(D^*)$ 초과 현상의 설명에 가장 잘 맞는 뉴 피직스 윌슨 계수는 무엇인가? 특히 왼쪽 편향 벡터 또는 스칼라 연산자가 주목받는 이유는 무엇인가?

주요 결과

• 업데이트된 표준모형 예측인 $R(D^*)$는 $0.252^{+0.007}_{-0.006}$이며, 세계 평균인 $0.258 \pm 0.005$와 약 3σ 수준에서 일치한다.
• 배타적 $|V_{cb}|$ 추정치는 $39.56^{+0.106}_{-0.104} \times 10^{-3}$로, 2017년 분석 대비 상당히 감소된 불확실성을 보인다.
• 예측된 $F_L(D^*)$는 $0.656^{+0.020}_{-0.022}$이며, 2σ 수준에서 측정치와 일치하지만 실험 중심값보다 약간 낮다.
• 격자 QCD 결과(Fermilab-MILC, JLQCD)는 고반동 영역에서는 데이터 기반 피팅과 양호한 일치를 보이나, 저반동 영역에서는 3–4σ의 격차가 나타난다.
• $R(D^*)$ 예측은 측정치와 완전히 일치하지 않으며, 뉴 피직스에 의해 설명될 수 있는 약 2σ의 초과 현상이 있을 가능성이 있다. 특히 왼쪽 편향 벡터 또는 스칼라 연산자가 이 현상을 설명하는 데 유력하다.
• 오른쪽 편향 스칼라 쿼크 전류 시나리오는 기각되며, 반면 왼쪽 편향 벡터 전류(SM 유사)는 $R(D^*)$ 이질현상 설명에 가장 유력한 뉴 피직스 시나리오로 남아 있다.