[论文解读] Leptoquarks facing flavour tests and $b o s\ell\ell$ after Moriond 2021

Jonathan Kriewald, Chandan Hati+2 more|arXiv (Cornell University)|Mar 31, 2021

Particle physics theoretical and experimental studies参考文献 1被引用 13

一句话总结

本文对用于解释 $b \to s\ell\ell$ 和 $b \to c\tau\nu$衰变中异常现象的轻子数子模型进行了模型无关的有效场论分析，利用2021年莫里翁德会议后的LHCb实验数据更新了威尔逊系数拟合。研究识别出矢量轻子数子是一种有前景的框架，能够同时解释 $R_{K^{(*))}}$ 和 $R_{D^{(*)}}$ 异常，关键的间接探测包括 $\tau\to\phi\mu$、$B_{(s)}\to\tau\tau$、$B_{(s)}\to\tau\mu$ 以及 COMET/Mu2e 实验中的轻子味破坏过程，同时表明 $R_{D^{(*)}}$ 的演化可能证伪矢量轻子数子模型。

ABSTRACT

In view of the emerging hints for the violation of lepton flavour universality in several $B$-meson decays, we conduct a model-independent study (effective field theory approach) of several well-motivated new physics scenarios. Taking into account the most recent LHCb data, we provide updates to Wilson coefficient fits for numerous popular new physics hypotheses. We also consider a promising model of vector leptoquarks, which in addition to explaining the $B$-meson decay anomalies ($R_{K^{(*)}}$ and $R_{D^{(*)}}$) would have an extensive impact for numerous flavour observables. We identify promising decay modes allowing to (indirectly) probe such an extension: these include positive signals (at Belle II or LHCb) for $τ o ϕμ$, $B_{(s)}$-meson decays to $τ^+ τ^-$ and $τ^+ μ^-$ ($τ^+ e^-$) final states, as well as an observation of certain charged lepton flavour violation transitions at COMET and Mu2e. We also argue how the evolution of the experimental determination of $R_{D^{(*)}}$ can prove instrumental in falsifying a vector leptoquark explanation of the anomalous $B$-meson decay data.

研究动机与目标

• 评估矢量轻子数子模型在解释 $B$-介子衰变中持续存在的 $R_{K^{(*)}}$ 和 $R_{D^{(*)}}$ 异常方面的可行性。
• 利用最新的LHCb数据更新威尔逊系数拟合，包括 $R_K = 0.846^{+0.044}_{-0.041}$ 的测量结果，其与标准模型的偏差达 $3.1\sigma$。
• 识别间接实验探测手段——如 $\tau\to\phi\mu$、$B_{(s)}\to\tau\tau$、$B_{(s)}\to\tau\mu$ 以及 $\mu\to e$ 衰变中的轻子味破坏——以检验矢量轻子数子模型。
• 评估 $R_{D^{(*)}}$ 测量值的演化是否可能证伪矢量轻子数子对异常现象的解释。

提出的方法

• 采用有效场论（EFT）方法，通过高维算符参数化新物理，重点关注威尔逊系数 $C_9$、$C_{10}$ 及其味和轻子味破坏变体。
• 对 $b\to s\ell\ell$ 和 $b\to c\tau\nu$ 数据进行全局拟合，包括 $R_K$、$R_{K^*}$、角观测量和 $B_{(s)}\to\mu^+\mu^-$，并纳入更新后的LHCb结果。
• 考虑多种新物理假设：单威尔逊系数、双威尔逊系数和六威尔逊系数拟合，特别关注 $\Delta C_9^{bs\mu\mu} = -\Delta C_{10}^{bs\mu\mu}$ 和 $\Delta C_9^{bs\mu\mu} = -\Delta C_{10}^{bs\mu\mu}$ 搭配 $\Delta C_9'^{bs\mu\mu}$ 的情形。
• 使用似然轮廓和拟合拉力（pulls）评估拟合优度，将标准模型预测与实验数据进行比较，并使用参数化不确定性进行分析。
• 分析更新后的 $R_K$ 测量对新物理拟合显著性的影响，显示某些假设的拉力有所增强。
• 评估新物理模型与 $R_{K^*} < R_K$ 及角观测量的一致性，识别出影响模型可行性的张力。

实验结果

研究问题

• RQ1 一个矢量轻子数子模型能否通过一组耦合常数同时解释 $R_{K^{(*)}}$ 和 $R_{D^{(*)}}$ 异常？
• RQ2 哪些稀有衰变模式——如 $\tau\to\phi\mu$、$B_{(s)}\to\tau\tau$ 或 $B_{(s)}\to\tau\mu$ —— 对矢量轻子数子模型提供最敏感的间接探测？
• RQ3 更新后的LHCb实验对 $R_K = 0.846^{+0.044}_{-0.041}$ 的测量如何影响全局拟合的显著性与模型一致性？
• RQ4 $R_{K^*} < R_K$ 与角观测量之间的张力在多大程度上限制了矢量轻子数子模型的可行参数空间？
• RQ5 未来对 $R_{D^{(*)}}$ 的测量在多大程度上可作为证伪矢量轻子数子假设的测试？

主要发现

• 更新后的 $R_K$ 测量使 $\Delta C_9^{bs\mu\mu}$ 假设的拟合显著性提高至 $6.3\sigma$，高于莫里翁德2021年前的 $5.9\sigma$。
• 假设 $\Delta C_9^{bs\mu\mu} = -\Delta C_{10}^{bs\mu\mu}$ 的拟合显著性为 $5.9\sigma$（莫里翁德2021年后），最佳拟合点为 $\Delta C_9^{bs\mu\mu} = -0.41^{+0.07}_{-0.08}$。
• 六威尔逊系数拟合在莫里翁德2021年后获得 $6.5\sigma$ 的拉力，其中 $\Delta C_9^{bs\mu\mu} = -1.15^{+0.16}_{-0.15}$ 且 $\Delta C_9'^{bs\mu\mu} = 0.40^{+0.32}_{-0.33}$，相较于莫里翁德前结果略有改善。
• 在 $\Delta C_9^{bs\mu\mu} = -\Delta C_{10}^{bs\mu\mu}$ 且 $\Delta C_9'^{bs\mu\mu}$ 存在的模型中，拟合拉力达 $6.4\sigma$，表明当 $\Delta C_9'^{bs\mu\mu} \approx \Delta C_9^{bs\mu\mu}$ 时，与 $R_K < R_{K^*}$ 的一致性较强。
• 在 $\Delta C_9^{bs\mu\mu} = -\Delta C_{10}^{bs\mu\mu}$ 和 $\Delta C_9'^{bs\mu\mu} = \Delta C_{10}'^{bs\mu\mu}$ 的情形下，$R_{K^{(*)}}$ 与角观测量之间的张力依然存在，提示对模型存在约束。
• 研究显示，$R_{D^{(*)}}$ 测量值的演化是关键检验：若 $R_{D^{(*)}}$ 继续偏离标准模型预测，可能证伪矢量轻子数子对 $R_{K^{(*))}}$ 异常的解释。