[论文解读] On Flavourful Easter eggs for New Physics hunger and Lepton Flavour Universality violation

M. Ciuchini, Antônio Coutinho+5 more|arXiv (Cornell University)|Apr 18, 2017

Particle physics theoretical and experimental studies被引用 30

一句话总结

本文在有效场论框架下，通过贝叶斯全局拟合方法，研究了$b \to s$跃迁中微妙的新物理（NP）效应，重点分析了通过$R_K$和$R_{K^*}$测量的轻子味 universality 破坏（LFU）。当强子不确定性处理得较为保守时，发现威尔逊系数中存在$\sim 3\sigma$的新物理证据，非标准轻子轴矢量流是一种与向量流新物理模型相媲美的可行替代方案。

ABSTRACT

Within the standard approach of effective field theory of weak interactions for $\\Delta B = 1$ transitions, we look for possibly unexpected subtle New Physics effects, here dubbed "flavourful Easter eggs". We perform a Bayesian global fit using the publicly available HEPfit package, taking into account state-of-the-art experimental information concerning these processes, including the suggestive measurements from LHCb of $R_{K}$ and $R_{K^{*}}$, the latter available only very recently. We parametrize New Physics contributions to $b \ o s$ transitions in terms of shifts of Wilson coefficients of the electromagnetic dipole and semi-leptonic operators, assuming CP-conserving effects, but allowing in general for violation of lepton flavour universality. We show how optimistic/conservative hadronic estimates can impact quantitatively the size of New Physics extracted from the fit. With a conservative approach to hadronic uncertainties we find nonzero New Physics contributions to Wilson coefficients at the level of $\\sim 3\\sigma$, depending on the model chosen. Furthermore, given the interplay between hadronic contributions and New Physics effects in the leptonic vector current, a scenario with nonstandard leptonic axial currents is comparable to the more widely advocated one with New Physics in the leptonic vector current.

研究动机与目标

• 在标准模型之外的稀有$B$衰变中，寻找微妙的新物理效应——‘风味十足的复活节彩蛋’。
• 评估强子不确定性对提取$b\to s\gamma$和$b\to s\ell\ell$跃迁中新物理信号的影响。
• 利用最新的LHCb和Belle实验数据，检验不同新物理模型的可行性，特别是涉及轻子味 universality 破坏的模型。
• 比较新物理存在于轻子向量流与存在于非标准轻子轴矢量流的场景。

提出的方法

• 使用HEPfit软件包执行贝叶斯全局拟合，整合$B\to K^{(*)}\ell\ell$、$B\to X_s\gamma$以及$P_5'$角观测量的实验数据。
• 在有效场论框架下，通过电磁偶极子和半轻子算符的威尔逊系数偏移来参数化新物理贡献。
• 评估强子估计值保守与乐观两种情形下对新物理信号显著性的影响。
• 将近期LHCb在$[1.1,6]$ GeV$^2$轻子对质量范围内的$R_K$和$R_{K^*}$测量结果，连同LHCb、ATLAS、CMS和Belle的$P_5'$数据一并纳入分析。
• 比较六种不同的新物理场景：含与不含轻子味 universality 破坏的向量、标量、张量和轴矢量流模型。
• 采用对称化的实验误差，并对多个质量区间内的$R_K$、$R_{K^*}$、$R_\phi$和$P_5'$等可观测量进行拟合。

实验结果

研究问题

• RQ1 当强子不确定性处理得较为保守时，新物理对$b\to s$跃迁中威尔逊系数的贡献具有多大的显著性？
• RQ2 不同新物理参数化方式——特别是轻子向量流与轴矢量流——如何影响对$R_K$和$R_{K^*}$数据的全局拟合？
• RQ3 近期LHCb在大动量反冲区域对$R_{K^*}$和$P_5'$的测量，在多大程度上支持新物理解释而非标准模型的强子效应？
• RQ4 是否存在一种非标准轻子轴矢量流的新物理场景，能够作为广泛研究的向量流新物理模型在解释$R_K$和$R_{K^*}$异常方面的可行替代方案？
• RQ5 强子矩阵元估计值的变化在多大程度上影响提取的新物理信号强度及其统计显著性？

主要发现

• 在保守估计强子不确定性的情况下，全局拟合揭示了$b\to s$跃迁中威尔逊系数存在$\sim 3\sigma$的新物理证据。
• $R_K$和$R_{K^*}$测量——尤其在$[1.1,6]$ GeV$^2$范围内——持续与标准模型存在张力，其中$R_K \approx 0.753 \pm 0.090$，$R_{K^*}^{[1.1,6]} \approx 0.707 \pm 0.102$，两者均低于标准模型预测值。
• $B\to K^*\mu\mu$衰变中的$P_5'$异常依然显著，LHCb和Belle数据与标准模型的偏差约为$3\sigma$，但各实验间的张力程度有所不同。
• ATLAS和CMS的$P_5'$测量分别显示出增强和减小的张力，凸显了对QCD幂修正理论控制的迫切需求。
• 发现新物理存在于轻子轴矢量流的场景在拟合质量上与更常研究的向量流模型相当，尤其是在考虑强子不确定性时。
• 拟合结果表明，$R_{K^*}^{T}$和$R_{K^*}^{L}$可观测量对新物理敏感，某些场景下$R_{K^*}^{T}$的值可达$1.05 \pm 0.03$，表明横向极化中可能存在新物理。