[论文解读] Angular distribution of the rare decay $Λ_b o Λ( o N π) \ell^+\ell^-$

Han Yan|arXiv (Cornell University)|Nov 26, 2019

Particle physics theoretical and experimental studies被引用 5

一句话总结

本文首次在有效场论框架下，给出了稀有衰变 $\Lambda_b \to \Lambda(\to N\pi)\ell^+\ell^-$ 的完整角分布，包含轻子质量效应与张量算符的影响。结果表明，张量算符对角观测量有显著影响，揭示了标准模型之外的新物理可能，特别是在 $b\to s\ell^+\ell^-$ 衰变中。

ABSTRACT

We provide a determination of the complete angular distribution for the four body rare decay $Λ_b o Λ( o N π) \ell^+\ell^-$, with unpolarized $Λ_b$ baryons and massive leptons, in the operator basis approach which includes the scalar, pseudo-scalar, vector, axial-vector and tensor operators. Especially, the contributions of tensor operators have been calculated for the first time in this work. Since the lepton mass is retained in our calculations, the lepton flavour universality and the decay mode $Λ_b o Λ( o N π) τ^+τ^-$ can be investigated in detail. For comparison with the experiment, we study the numerical results of observables within the Standard Model and the $S_1+S_3$ Leptoquark model. Significant deviation can be found between experiment data and the Standard Model predictions. The $S_1+S_3$ Leptoquark model can be further explored with the experimental progresses. In addition, we demonstrate the sensitivity of various angular observables to tensor operators contributions firstly, and find out that the potential New Physics effects of tensor operators can not be ignored in $b o s\ell^+\ell^-$ transitions.

研究动机与目标

• 为自旋无极化的 $\Lambda_b$ 重子的四体稀有衰变 $\Lambda_b \to \Lambda(\to N\pi)\ell^+\ell^-$ 提供完整的角分布。
• 首次在该衰变模式中包含有效哈密顿量中的张量算符贡献。
• 研究质量轻子对轻子味 universality 和角观测量的影响。
• 使用标准模型与 $S_1 + S_3$ 轻子球模型，将理论预测与实验数据进行比较。
• 评估角观测量对张量相互作用的敏感性，作为探测 $b \to s\ell^+\ell^-$ 衰变中新物理的手段。

提出的方法

• 在有效场论框架下采用算符基方法，包含标量、伪标量、矢量、轴矢量和张量算符。
• 在振幅计算中保留完整的轻子质量依赖性，以实现对轻子味 universality 的精确分析。
• 采用 Detmold 等人（2016）的格点 QCD 形因子，并使用 BCL 参数化描述 $\Lambda_b \to \Lambda$ 衰变。
• 利用完整的运动学相空间与螺旋振幅，推导微分衰变宽度与角观测量。
• 应用窄宽度近似，将 $\Lambda \to N\pi$ 衰变视为壳上共振态。
• 计算前向-后向不对称性与 $q^2$-微分分布等可观测量，以与 LHCb 实验数据对比。

实验结果

研究问题

• RQ1 张量算符如何贡献于 $\Lambda_b \to \Lambda(\to N\pi)\ell^+\ell^-$ 的角分布？它们在当前或未来实验中是否可观测？
• RQ2 角观测量对 $b \to s\ell^+\ell^-$ 衰变中由张量流介导的新物理效应的敏感性如何？
• RQ3 质量轻子效应在多大程度上改变了该衰变中轻子味 universality 比率的预测？
• RQ4 在该衰变中，$S_1 + S_3$ 轻子球模型与标准模型在角观测量预测上有多大差异？
• RQ5 包含张量算符是否能解决实验数据与标准模型预测在 $b \to s\ell^+\ell^-$ 衰变中的不一致？

主要发现

• 本工作首次计算了 $\Lambda_b \to \Lambda(\to N\pi)\ell^+\ell^-$ 角分布中张量算符的贡献，揭示了显著影响。
• 数值结果表明，实验数据与标准模型预测之间存在显著偏差，尤其体现在前向-后向不对称性中。
• $S_1 + S_3$ 轻子球模型对实验数据的拟合优于标准模型，表明可能存在新物理。
• 质量轻子效应对于精确检验轻子味 universality 至关重要，因为它们会改变类似 $R_K$ 的比率。
• 角观测量如 $P_1$、$P_2$ 和 $P_3$ 对张量贡献高度敏感，因此在新物理搜索中不可忽略。
• 本研究证实，张量算符在 $b \to s\ell^+\ell^-$ 衰变中起着非平凡作用，必须包含在 $B$ 与 $\Lambda_b$ 衰变的未来全局拟合中。