[论文解读] Global Bayesian Analysis of new physics in $b o s \mu\mu$ transitions after Moriond-2019

Dinesh Kumar, Kamila Kowalska+1 more|arXiv (Cornell University)|Jun 20, 2019

Particle physics theoretical and experimental studies被引用 4

一句话总结

本文利用更新后的LHCb和Belle实验数据（涵盖Moriond-2019之后的R_K和R_K*测量），对b → sμμ过程中的新物理进行了全局贝叶斯分析。研究识别出在C_μ^9和C_μ^10威尔逊系数中存在新物理的偏好，其95%可信区间中心位于C_μ^9 = -C_μ^10 ∈ (-0.68, -0.29)，并评估了Z′和标量轻子荷等UV完备模型，预测了与味物理和混合约束一致的质量与耦合范围。

ABSTRACT

The recent measurement of $R_K$ at LHCb continues to support the hint of violation of lepton flavor universality. We perform a global fit for new physics in semileptonic $b o s$ transitions using all the relevant data with a Bayesian analysis technique. We include new measurements of $R_K$ at LHCb and new determinations of $R_{K^*}$ and $R_{K^{*+}}$ at Belle. We perform the scan for various NP scenarios and infer the 68\% and 95.4\% credibility regions of the marginalized posterior probability density for all scenarios. We also compare the models in pairs by calculating the Bayes factor given a common data set. A few well-known BSM models are analyzed that can provide a high energy framework for the EFT analysis. These include the exchange of a heavy $Z^{'}$ boson in models with heavy vector-like fermions and a scalar field, and a model with scalar leptoquarks. We provide predictions for the BSM couplings and expected mass values.

研究动机与目标

• 利用最新的R_K和R_K*实验数据，对半轻子b → sμμ过程中的新物理进行全局贝叶斯拟合。
• 在无模型假设的有效场论框架下，量化威尔逊系数C_μ^9和C_μ^10的可信区域。
• 在味物理和混合约束下，评估特定UV完备BSM模型（如含矢量样费米子的Z′模型和标量轻子荷）的可行性。
• 通过贝叶斯因子进行成对模型比较，并推导BSM耦合与质量的预测。
• 评估新LHCb和Belle测量对新物理参数后验分布及模型约束的影响。

提出的方法

• 通过贝叶斯定理使用贝叶斯推断计算给定实验数据d时新物理模型参数m的后验概率密度p(m|d)。
• 采用多变量正态似然函数，考虑实验和理论不确定性，通过协方差矩阵C_exp处理相关性。
• 将CKM矩阵元V_cb视为具有以PDG值为中心、含不确定性的高斯先验的多余参数。
• 在[-3, 3]范围内扫描新物理威尔逊系数C_μ^9、C_μ^10、C′_μ^9、C′_μ^10，以探索完整参数空间。
• 在二维平面（如C_μ^9 vs. C_μ^10）上进行边缘化后验扫描，可视化68%和95.4%可信区域。
• 通过使用相同数据集的贝叶斯因子比较模型，评估各BSM情景的相对证据。

实验结果

研究问题

• RQ1 在无模型假设的前提下，基于最新R_K和R_K*测量，威尔逊系数C_μ^9和C_μ^10的后验可信区域是什么？
• RQ2 新LHCb和Belle数据如何影响后验分布，并缓解R_K与R_K*之间的张力？
• RQ3 在Z′（含矢量样费米子）、标量轻子荷和Lμ−Lτ扩展等UV完备BSM模型中，哪一个最能解释标准模型的偏离？
• RQ4 在满足数据和B_s混合约束的前提下，可行Z′和轻子荷模型的预测质量尺度与耦合强度是什么？
• RQ5 当在拟合中引入额外威尔逊系数（如C′_μ^9、C′_μ^10）时，新物理参数的95%可信区域如何变化？

主要发现

• C_μ^9 = -C_μ^10的95%可信区间被约束在(-0.68, -0.29)之间，表明C_μ^9为负值、C_μ^10为正值具有强烈偏好。
• 引入新LHCb和Belle数据后，后验不确定性减小，使95%可信区域更接近原点，缓解了R_K与R_K*之间的张力。
• 在四参数扫描（C_μ^9、C_μ^10、C′_μ^9、C′_μ^10）中，C_μ^9取大负值被偏好，而由于C′_μ^10的影响，C′_μ^9 ≤ 0也被允许。
• 对于Z′模型（模型2），当λQ ~ 1时，矢量样夸克质量尺度MQ/λQ位于20–30 TeV范围内，而m_Z′/g_X受B_s混合约束限制在5 TeV以下。
• 标量轻子荷模型预测，Yukawa耦合乘积ˆY_bμ ˆY_sμ*在95%可信区间内位于[0.4×10⁻³, 1.1×10⁻³] × (m_S3/TeV)²范围内，且B → K(∗)νν衰变未施加强约束。
• 在模型1和模型2中，C′_μ^9和C′_μ^10的95%可信区域在上方无界，表明这些系数在不确定度范围内与零一致。