[論文レビュー] Implications of an enhanced $B o K ν\bar ν$ branching ratio

Rigo Bause, Hector Gisbert+1 more|arXiv (Cornell University)|Aug 31, 2023

Particle physics theoretical and experimental studies被引用数 7

ひとこと要約

この論文は、Belle IIが最近報告した $B^+ \to K^+ \nu\bar{\nu}$ 分岐比の増大について検討している。この値は標準模型の予測を3–7倍上回っており、その異常は、ニュートリノのフレーバー普遍性が破れるか、あるいは新しい物理が軽い場合に限って成立する。重い（5–10 TeV）木構造の媒介粒子（例：レプトクォークや $Z'$ ボソン）がタウレプトンにのみ選択的にカップリングする必要があり、フレーバー制約を満たすために非最小のモデル構築が不可欠である。

ABSTRACT

Rare decays mediated by $b o s ν\bar ν$ transitions have been reported by the Belle II experiment. The branching ratio of the decay $B^+ o K^+ ν\bar ν$ is found to be enhanced with respect to the standard model value. If taken at face value, the implications are profound: either lepton flavor universality is violated at the (multi)-TeV-scale, or light new physics is involved. This holds in general if $\mathcal{B}(B^+ o K^+ ν\bar ν)$ exceeds $1.2 \cdot 10^{-5} \, (1.3 \cdot 10^{-5})$ at $1 σ$ ($2 σ$), which tightens with a decreasing upper limit on $\mathcal{B}(B o K^*ν\bar ν)$, that is in reach of the Belle II experiment. In view of the strong constraints on electron-muon universality violation in $|Δb|=|Δs|=1$ processes, viable explanations are heavy, $(5-10)$-TeV tree-level new physics mediators that couple only to tau-flavors, or lepton flavor violating ones. In addition, couplings of similar size to both left- and right-handed quarks are generically required, implying non-minimal BSM sectors which are carefully balanced against flavor constraints. The decay $B_s^0 o ext{invisibles}$ can shed light on whether new physics is light or heavy. In the former case, branching ratios can be as large as $10^{-5}$.

研究の動機と目的

• Belle IIが観測した $B^+ \to K^+ \nu\bar{\nu}$ 分岐比の増大のモデルに依存しない意味を評価すること。
• Belle IIのインクルーシブタギング結果を用いて、$b \to s \nu\bar{\nu}$ 遷移におけるレプトンフレーバー普遍性をテストすること。
• この異常が、軽いか重い新しい物理を示唆しているかを特定すること、特に $B_s^0 \to \text{invisibles}$ 衰退モードを通じて。
• 既存のフレーバー物理学の制約を満たしつつ、増大を説明できる新たな物理モデルを制約すること。

提案手法

• 左・右のカレント演算子を用いた弱い有効ハミルトニアンによる $b \to s \nu\bar{\nu}$ 衰退のモデル化。
• 新しい物理の分岐比への寄与をパラメータライズするためのウィルスン係数 $C^{\nu\nu}'_{L,R}$ を用いる。
• Bause ら（2021）のレプトン普遍性テストをBelle IIのインクルーシブタギング結果に適用する。
• $R_{K,K^*}$ および $B \to K^* \nu\bar{\nu}$ の制約を用いて、軽い新しい物理を除外する。
• レプトクォーク（$S_1, S_3$）およびベクトルシングレット（$V_1$）を用いた明示的モデルを構築し、必要な $b \to s \nu\bar{\nu}$ 振幅を生成する。
• 観測された分岐比の増大から、木構造の媒介粒子の質量スケールとヤコビ係数を導出する。木構造の媒介粒子では $M \sim 5{-}10\,\text{TeV}$ が必要である。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 Belle IIが観測した $\mathcal{B}(B^+ \to K^+ \nu\bar{\nu}) = (2.3 \pm 0.7) \times 10^{-5}$ は、レプトンフレーバー普遍性の破れを示唆するか？
• RQ2 フレーバー制約を満たしつつ、増大を説明できる最小の新しい物理モデルは何か？
• RQ3 $B_s^0 \to \text{invisibles}$ 衰退率は、軽いか重い新しい物理を区別できるか？
• RQ4 $B \to K^* \nu\bar{\nu}$ および $R_{K,K^*}$ のデータは普遍性と整合的であるが、なぜ $B^+ \to K^+ \nu\bar{\nu}$ はそうではないのか？

主な発見

• Belle IIによる $\mathcal{B}(B^+ \to K^+ \nu\bar{\nu}) = (2.3 \pm 0.7) \times 10^{-5}$ の結果は、標準模型の予測を3〜7倍上回っており、2.7σのずれに相当する。
• 1σで $1.2 \times 10^{-5}$ 以上、2σで $1.3 \times 10^{-5}$ 以上の分岐比は、新しい物理が軽くない限り、レプトンフレーバー普遍性の破れを示唆する。
• 妥当な説明には、$5{-}10\,\text{TeV}$ の範囲の質量を持つ木構造の媒介粒子が必要であり、それらはタウレプトンにのみカップリングするか、またはフレーバー破れを伴う。
• $S_1$ および $\tilde{S}_2$ レプトクォーク、あるいは $S_3$ トリプレットを用いたモデルは、必要な $C_L$ および $C_R$ ウィルスン係数を生成可能であり、ヤコビ係数が1次オーダーのとき $M \sim 5\,\text{TeV}$ の質量が必要となる。
• $B_s^0 \to \text{invisibles}$ 衰退は、新しい物理のスケールを探索可能であり、新しい物理が軽い場合、分岐比が $10^{-5}$ に達する可能性がある。
• フレーバー制約を満たすために、複数のレプトクォーク表現やベクトルシングレットを含む非最小のモデル構築が必要となる。これにより、$b \to c\tau\nu$ の寄与をキャンセルできる。