[논문 리뷰] When Energy Goes Missing: New Physics in $b o sνν$ with Sterile Neutrinos

Tobias Felkl, A. Giri외 2명|arXiv (Cornell University)|2023. 09. 06.

Particle physics theoretical and experimental studies참고 문헌 82인용 수 4

한 줄 요약

이 논문은 벨레 II에서 관측된 $B^+ \to K^+ + \text{inv}$ 붕괴 초과 현상이 $\nu$ SMEFT 프레임워크 내에서 질량을 가진 허위 중성자에 의해 매개되는 $b \to s\nu\bar{\nu}$ 전이에 의해 설명될 수 있다고 제안한다. 이는 모든 $B\to K^{(*)}+\text{inv}$ 모드, 투명한 $B_s$ 붕괴, 그리고 전하-전류 $B\to D^{(*)}\ell\bar{\nu}}$ 데이터와 일치하는 유의미한 매개변수 영역을 식별하며, 효과적 연산자의 UV 완성도 제공한다.

ABSTRACT

Belle II recently reported the first measurement of $B^+ o K^++\mathrm{inv}$, which is $2.8σ$ above the Standard Model prediction. We explore the available parameter space of new physics within Standard Model effective field theory extended by sterile neutrinos ($ν$SMEFT) and provide predictions for the other $B o K^{(\star)}+\mathrm{inv}$ decay modes and invisible $B_s$ decays. We also briefly comment on charged current decays $B o D^{(\star)}\ell\barν$ and possible ultraviolet completions of the relevant $ν$SMEFT operators.

연구 동기 및 목표

• 벨레 II에서 관측된 $B^+ \to K^+ + \text{inv}$ 붕괴 초과 현상이 표준모형 예측을 $3\sigma$ 초과로 넘어서는 것을 허위 중성자를 포함한 새로운 물리학으로 설명한다.
• $B^+ \to K^+ + \text{inv}$ 초과 현상과 다른 $B\to K^{(*)}+\text{inv}$ 모드의 비관측, 그리고 투명한 $B_s$ 붕괴 사이의 긴장 관계를 해결한다.
• 이전의 질량 무시 근사에서 벗어나 효과적 이론 분석에서 허위 중성자의 전체 질량 의존성을 일관되게 포함한다.
• $\nu$ SMEFT 프레임워크 내에서 $B\to D^{(*)}\ell\bar{\nu}}$ 붕괴 데이터와 $B_s$ 투명 붕괴를 동시에 만족하는 유의미한 매개변수 영역을 식별한다.
• 효과적 연산자의 이론적 일관성과 재정규화 가능성을 확보하기 위해 $\nu$ SMEFT 모델의 효과적 연산자에 대한 UV 완성을 제공한다.

제안 방법

• 1 테바르의 에너지 스케일에서 $\mu = 1$ TeV에서 $\nu$ SMEFT 프레임워크를 수립하며, 허위 중성자를 포함한 4 Fermi 연산자인 $\mathcal{O}^{\rm QN}, \mathcal{O}^{\rm dN}, \mathcal{O}^{\rm LNQd}, \mathcal{O}^{\rm LNQdT}$를 포함하고, 허위 중성자의 전체 질량 의존성을 유지한다.
• 표준모형의 양자수준에서의 에너지 스케일에서의 전이를 위해, 양자군역 러닝을 통해 $\nu$ SMEFT 연산자를 저에너지 효과적 이론(LEFT)에 매칭하며, 벡터, 스칼라, 텐서, 편미분 상호작용을 유지한다.
• S, P, V, A, $\mathcal{T}$ 기저에서 유효한 커플링 계수를 표현하며, 왼쪽과 오른쪽 편향 중성자 전류를 구분하고, 중성자 인덱스의 대칭화 및 반대칭화를 통해 맛 대칭성을 고려한다.
• 완전한 형상인자 의존성과 $S,P,V,A,\mathcal{T}$ 기저를 사용하여 $B_s \to \nu_\alpha\nu_\beta$의 붕괴 분율을 계산하며, 연산자 간 간섭항을 포함한다.
• $B\to D^{(*)}\ell\bar{\nu}}$ 붕괴, 투명한 $B_s$ 붕괴, 기타 $B\to K^{(*)}+\text{inv}$ 모드로부터의 제약 조건을 적용하여 유의미한 매개변수 영역을 제한한다.
• 가시성 없는 페르미온과 스칼라 매개체를 사용하여 효과적 연산자의 UV 완성을 구성하며, $\nu$ SMEFT의 구조와 일치하도록 보장한다.

Figure 1: Differential branching ratio as a function of the missing invariant mass squared $q^{2}$ for vector (blue), scalar (red) and tensor (black) operators. All Wilson coefficients are fixed to $C=0.01\,\mathrm{TeV}^{-2}$ at $\mu=1$ TeV and the SM contribution is taken into account. The solid li

실험 결과

연구 질문

• RQ1 완전한 질량 의존성을 포함한 $\nu$ SMEFT 내에서 허위 중성자 기여로 $B^+ \to K^+ + \text{inv}$ 붕괴 초과 현상이 설명될 수 있는가?
• RQ2 어떤 조합의 허위 중성자 커플링과 질량이 벨레 II의 $B^+ \to K^+ + \text{inv}$ 초과 현상과 다른 $B\to K^{(*)}+\text{inv}$ 모드의 비관측과 일치하는가?
• RQ3 투명한 $B_s$ 붕괴와 $B\to D^{(*)}\ell\bar{\nu}}$ 붕괴로부터의 제약 조건이 허위 중성자 모델의 유의미한 매개변수 영역을 어떻게 형성하는가?
• RQ4 $\nu$ SMEFT의 효과적 연산자에서 허위 중성자 커플링을 재정규화 가능한 양자장 이론으로 실현하는 데 필요한 UV 완성은 무엇인가?
• RQ5 스칼라 및 텐서 연산자가 $B^+ \to K^+ + \text{inv}$ 붕괴 진폭에 기여하는 정도는 어느 정도이며, 붕괴 분율에 어떤 영향을 미치는가?

주요 결과

• $B^+ \to K^+ + \text{inv}$ 붕괴 초과 현상은 $\nu$ SMEFT 내에서 허위 중성자 기여로 설명될 수 있으며, 주로 $\mathcal{O}^{\rm LNQdT}$ 텐서 연산자에 의해 기여된다.
• 유의미한 매개변수 영역 내에서 $B^+ \to K^+ + \text{inv}$ 붕괴 분율은 약 $2.4 \times 10^{-5}$에 도달하며, 벨레 II 측정치와 $3\sigma$의 뜻을 지닌다.
• 투명한 $B_s$ 붕괴와 $B\to D^{(*)}\ell\bar{\nu}}$ 붕괴로부터의 제약 조건은 특히 $m_N \lesssim 100$ MeV일 경우 허위 중성자 질량과 커플링을 상당히 제한한다.
• 분해율 $\mathrm{BR}(B_s \to \nu_\alpha\nu_\alpha)$는 $A$ 및 $P$ 전류 기여에 민감하며, 유의미한 매개변수 영역 내에서 $\lesssim 10^{-6}$이다.
• 효과적 연산자의 UV 완성은 가시성 없는 페르미온과 스칼라 매개체를 통해 실현되며, $\mathcal{O}^{\rm LNQdT}$ 연산자는 $Z'$-유사 보손 또는 스칼라 교환에서 기인한다.
• 분석 결과, 스칼라 및 텐서 연산자가 완전한 기술을 위해 필수적이며, 허위 중성자 질량이 비제로일 경우 $B^+ \to K^+ + \text{inv}$ 진폭에 상당한 기여를 한다.

Figure 2: The red (green) contour line stands for the present bound on BR( $B^{0}\to K^{\star 0}(K^{0})+\mathrm{inv}$ ), and the respective regions above these lines are therefore ruled out. The light-blue band symbolises the simple weighted average for BR( $B^{+}\to K^{+}+\mathrm{inv}$ ), and the h