[论文解读] A global fit to $b ightarrow cτ\barν$ anomalies after Moriond 2019

Suman Kumbhakar, Ashutosh Kumar Alok+2 more|arXiv (Cornell University)|Sep 6, 2019

Particle physics theoretical and experimental studies被引用 4

一句话总结

本文利用2019年莫里翁德会议公布的更新版Belle数据，对 $b \to c\tau\bar{\nu}$ 异常现象进行了全局拟合，将与标准模型的张力降低至3.1σ。研究识别出七种可行的新物理解，每种解具有独特的洛伦兹结构，并提出了一套五变量观测量策略——$P_\tau^D$、$R_D$、前后不对称性以及 $\mathcal{B}(B_c \to \tau\bar{\nu})$——以在实验上唯一区分这些解。

ABSTRACT

At Moriond 2019, Belle collaboration announced their new measurements on $R_D$ and $R_{D^*}$ which are in agreement with their Standard Model (SM) predictions within $1.2σ$. After inclusion of these measurements, the discrepancy between the world averages and the SM predictions of $R_D$-$R_{D^*}$ comes down from $4.1σ$ to $3.1σ$. Here we do a global fit by taking all measurements in $b ightarrow cτ\barν$ transition. We find that there are seven allowed new physics solutions, each with different Lorentz structure. Further we show that it is possible to distinguish between them by means of the five observables: the $τ$ polarization fraction in the decay $B ightarrow D τ\barν$, the precision measurement of $R_D$, the forward-backward asymmetries in the decays $B ightarrow (D,D^*) τ\barν$ and the branching ratio of $B_c ightarrow τ\barν$.

研究动机与目标

• 根据2019年莫里翁德会议上公布的Belle新测量数据，重新评估 $b \to c\tau\bar{\nu}$ 异常现象。
• 确定包含更新后的 $R_D$、$R_{D^*}$ 和 $f_L^{D^*}$ 测量值后，对新物理解的全局拟合结果如何变化。
• 识别出能够解释 $b \to c\tau\bar{\nu}$ 衰变中轻子味 universality 偏离现象的可行新物理模型。
• 提出一组高精度测量，以在剩余的可行新物理情景之间进行区分。
• 在 $\mathcal{B}(B_c \to \tau\bar{\nu}) < 10\%$ 和 $f_L^{D^*}$ 约束条件下，评估每种新物理解的可行性。

提出的方法

• 构建一个包含所有可能洛伦兹结构的通用有效哈密顿量，用于描述 $b \to c\tau\bar{\nu}$ 衰变，以威尔逊系数 $C_i$、$C'_i$、$C''_i$ 参数化。
• 计算理论预测值，包括 $R_D$、$R_{D^*}$、$R_{J/\psi}$、$P_\tau^{D^*}$、$f_L^{D^*}$ 以及前后不对称性，作为威尔逊系数的函数。
• 使用 MINUIT 最小化程序执行全局拟合，以确定最符合实验数据的威尔逊系数集合。
• 应用 $\mathcal{B}(B_c \to \tau\bar{\nu}) < 10\%$ 和 $f_L^{D^*}$ 测量值的约束，排除不物理或已被排除的解。
• 利用拟合得到的威尔逊系数，为每种可行解预测五个关键可观测量的值：$P_\tau^D$、$A_{FB}^D$、$A_{FB}^{D^*}$、$R_D$ 和 $\mathcal{B}(B_c \to \tau\bar{\nu})$。
• 识别出可唯一区分剩余七种允许的新物理解的可观测量预测组合。

实验结果

研究问题

• RQ1 2019年莫里翁德会议公布的Belle新测量数据如何影响 $b \to c\tau\bar{\nu}$ 异常现象的全局显著性？
• RQ2 在纳入最新的 $R_D$、$R_{D^*}$ 和 $f_L^{D^*}$ 数据后，哪些按洛伦兹结构分类的新物理算符仍为可行？
• RQ3 五个可观测量 $P_\tau^D$、$R_D$、$A_{FB}^D$、$A_{FB}^{D^*}$ 和 $\mathcal{B}(B_c \to \tau\bar{\nu})$ 是否能唯一区分剩余的新物理解？
• RQ4 未来测量需要达到何种精度，才能解决剩余七种允许的新物理情景之间的模糊性？
• RQ5 $f_L^{D^*}$ 和 $\mathcal{B}(B_c \to \tau\bar{\nu})$ 的预测如何约束允许的新物理模型？

主要发现

• 在纳入2019年莫里翁德会议的Belle新数据后，世界平均 $R_D$ 和 $R_{D^*}$ 测量值与标准模型预测之间的全局张力降低至3.1σ。
• 测量值为 $0.60 \pm 0.08$（统计）$\pm 0.04$（系统）的 $f_L^{D^*}$，比标准模型高出1.5σ，将此前允许的仅含张量型新物理解在约5σ水平上排除。
• 在应用所有约束后，仅剩七种新物理解可行，每种解在有效哈密顿量中具有独特的洛伦兹结构组合。
• $\tau$ 自旋极化分数 $P_\tau^D$ 可将 $\mathcal{O}_{V_L}$ 和 $\mathcal{O}_T$ 解（预测值约为0.35）与其余五种解（预测值约为0.45）区分开来，分辨精度可达0.1。
• 前向-后向不对称性 $A_{FB}^D$ 在 $(\mathcal{O}''_{V_R}, \mathcal{O}''_T)$ 和 $(\mathcal{O}'_{V_R}, \mathcal{O}'_{S_L})$ 解中为负值（约-0.24），而在其余五种解中为正值（约0.33），可实现清晰区分。
• $A_{FB}^{D^*}$ 不对称性和 $\mathcal{B}(B_c \to \tau\bar{\nu})$ 提供进一步区分：$(\mathcal{O}''_{V_R}, \mathcal{O}''_T)$ 解的 $A_{FB}^{D^*} \approx -0.025$，$(\mathcal{O}'_{V_R}, \mathcal{O}'_{S_L})$ 解为 -0.120，其余三种解约为 -0.05，分支比分别为0.8%、4.0%和8.4%，在2%精度下可实现区分。