[论文解读] $B$ anomalies in the post $R_{K^{(*)}}$ era

Tobias Hurth, F. Mahmoudi+1 more|arXiv (Cornell University)|Oct 9, 2023

Particle physics theoretical and experimental studiesPhysics and Astronomy被引用 3

一句话总结

本文在最新的LHCb与CMS测量结果背景下，重新评估了$b\to s\ell^{+}\ell^{-}$衰变中异常现象的现状，这些新数据在$R_K$与$R_{K^*}$方面已与标准模型一致，从而限制了新物理必须为轻子味不变。通过一种模型无关的有效场论方法，本文表明，剩余的角观测量与分支比之间的张力，最能由单一威尔逊系数$C_9$解释，而引入更复杂的模型并未带来显著改善。

ABSTRACT

We discuss the status of $b o s \ell^+\ell^-$ decays in the post-$R_{K^{(*)}}$ era. The recent LHCb update of $R_K$ and $R_{K^*}$ measurements which are now compatible with the Standard Model, constrain new physics contributions to be lepton flavor universal, allowing only small deviations from this limit. Besides the latest LHCb measurements of $R_K$ and $R_{K^{*}}$, we also include the recent CMS measurements of $R_K$ and of the branching ratio of $B^+ o K^+ μ^+μ^-$. We present a model-independent analysis of the $b o s \ell^+ \ell^-$ data and investigate the implications of the different sets of observables. In addition, we consider multi-dimensional fits and discuss the significance of more complex new physics scenarios compared to one- and two-dimensional scenarios.

研究动机与目标

• 在最新的LHCb与CMS数据支持下，重新评估$b\to s\ell^{+}\ell^{-}$异常现象，这些数据在$R_K$与$R_{K^*}$方面已与标准模型一致。
• 确定当前数据是否已强烈约束新物理贡献中的轻子味不变性。
• 评估$C_9$作为主导新物理贡献，解释角观测量与分支比中持续存在的张力的重要性。
• 检验是否引入更多威尔逊系数的更复杂新物理场景，相比简单模型能显著改善拟合效果。
• 使用PDG 2022中的CKM参数和最新实验输入（包括$\text{BR}(B^+\to K^+\mu^+\mu^-)$）更新分析。

提出的方法

• 采用弱有效哈密顿量中的威尔逊系数，对$b\to s\ell^{+}\ell^{-}$衰变进行模型无关的有效场论分析。
• 对不同观测量集合进行一维与二维拟合：(1) 清晰比值$R_K$、$R_{K^*}$与$B_{s,d}\to\ell^+\ell^-$，(2) 角观测量与分支比。
• 执行包含所有相关威尔逊系数（包括手征性翻转，即带撇号的）的12维拟合。
• 利用威尔克斯定理计算模型改进的p值与显著性水平，通过$\chi^2$差异比较嵌套模型。
• 采用PDG 2022中的更新CKM参数，并纳入近期CMS对$R_K$与$\text{BR}(B^+\to K^+\mu^+\mu^-)$的测量结果。
• 利用SuperIso公开程序进行数值计算，对非因子化幂修正假设10%的不确定性。

实验结果

研究问题

• RQ1 最新的LHCb与CMS对$R_K$与$R_{K^*}$的测量，在多大程度上限制了新物理贡献中的轻子味不变性？
• RQ2 如果$R_K$与$R_{K^*}$现在与标准模型一致，是否仍能用新物理解释独家$b\to s\ell^{+}\ell^{-}$衰变中角观测量与分支比的持续张力？
• RQ3 威尔逊系数$C_9$是否足以解释观测到的异常现象，还是增加更多威尔逊系数能带来显著改善？
• RQ4 在解释数据时，引入超出$C_9$的新物理自由度，其统计显著性如何？
• RQ5 更新的CKM参数与新的实验输入如何影响$b\to s\ell^{+}\ell^{-}$观测量的全局拟合？

主要发现

• 最新的LHCb测量结果：$R_K([0.1-1.1])=0.994^{+0.090}_{-0.082}$与$R_{K^*}([1.1-6.0])=1.027^{+0.072}_{-0.068}$现在与标准模型兼容，轻子味非不变性的显著性已降至$\sim 4.7\sigma$。
• 清晰观测量$R_K$、$R_{K^*}$与$\text{BR}(B_s\to\mu^+\mu^-)$现在限制新物理必须为轻子味不变，仅允许微小偏离。
• 威尔逊系数$C_9$被确定为解释角观测量与分支比中剩余张力的主要新物理贡献，尤其在低$q^2$区域。
• 包含所有威尔逊系数（包括带撇号的）的12维拟合得到$\chi^2_{\text{min}}=222.5$，与标准模型相比有$4.7\sigma$的偏差，表明存在中等程度的张力。
• 威尔克斯检验显示，引入超出$C_9$的新物理无法带来显著改善，下一较简单模型的p值仅显示$0.1\sigma$的改进。
• 两算符拟合$\{C_9^\mu, C_{10}^\mu\}$因具有轻子味破坏性质，与新的$R_{K^{(*)}}$数据相矛盾，故不被支持。