[论文解读] B-anomalies related to leptons and lepton flavour universality violation

Andreas Crivellin|arXiv (Cornell University)|Jun 22, 2016

Particle physics theoretical and experimental studies参考文献 22被引用 5

一句话总结

本文综述了B介子衰变中的多种异常现象、希格斯玻色子衰变h→μτ以及μ子反常磁矩，这些现象均指向涉及μ子和τ子但不涉及电子的新物理。论文提出了统一模型——如Z′玻色子、轻子球子、2HDM-X和Lμ−Lτ型轻子味标量模型——以同时解释轻子味 universality 破坏及相关偏离，其关键预测可在LHCb和Belle II实验中检验。

ABSTRACT

Several experiments observed deviations from the Standard Model (SM) in the flavour sector: LHCb found a $4-5\,σ$ discrepancy compared to the SM in $b o sμ^+μ^-$ transitions (recently supported by an Belle analysis) and CMS reported a non-zero measurement of $h oμτ$ with a significance of $2.4\,σ$. Furthermore, BELLE, BABAR and LHCb founds hints for the violation of flavour universality in $B o D^{(*)}τν$. In addition, there is the long-standing discrepancy in the anomalous magnetic moment of the muon. Interestingly, all these anomalies are related to muons and taus, while the corresponding electron channels seem to be SM like. This suggests that these deviations from the SM might be correlated and we briefly review some selected models providing simultaneous explanations.

研究动机与目标

• 分析轻子 sector 中新物理的综合证据，重点关注B衰变中的异常、h→μτ衰变以及μ子反常磁矩。
• 识别出所有异常均与μ子和τ子相关而电子通道保持符合标准模型的连贯模式，暗示存在共同的新物理机制。
• 评估并比较能够同时解释多个异常的理论模型，强调与现有实验约束的一致性。
• 预测未来实验（如LHCb和Belle II）中可观测的相关性与信号，以检验所提出的模型。

提出的方法

• 分析LHCb、Belle、BaBar、CMS和ATLAS实验在B→K*μ+μ−、B→D(*)τν、h→μτ和aμ方面的实验数据，与标准模型预测进行比较。
• 使用P′5等角观测量以及分支比比值R(K)、R(D)、R(D*)来量化与标准模型的偏离。
• 构建有效场论框架，以描述新物理对b→sℓ+ℓ−、b→cτν以及h→μτ跃迁的贡献。
• 评估Z′介导相互作用、轻子球子、2HDM-X以及Lμ−Lτ型轻子味标量模型，计算其对可观测量的影响。
• 应用来自味改变中性流过程（如Bs−Bs混合、K0−K̄0混合）、稀有衰变（如τ→μγ）以及LEP限制的约束。
• 进行全局拟合以确定模型参数空间中的允许区域，使用统计显著性（如2.6–5σ）评估模型的可行性。

实验结果

研究问题

• RQ1 能否由单一新物理模型解释b→sμ+μ−、B→D(*)τν、h→μτ及aμ中的观测偏离？
• RQ2 为何异常现象始终与μ子和τ子相关，而电子通道仍符合标准模型？
• RQ3 哪些可行的新物理模型能够同时解释轻子味 universality 破坏与μ子g−2异常？
• RQ4 这些模型在LHCb和Belle II等当前及未来实验中的可观测信号是什么？
• RQ5 来自味改变过程（如K0−K̄0混合、τ→μγ）的约束如何限制所提出模型的参数空间？

主要发现

• 在b→sμ+μ−跃迁中，包括R(K)和P′5在内的联合显著性达到4–5σ，表明存在强于标准模型的新物理证据。
• B→D(*)τν衰变中R(D*)与R(D)的偏离联合达到4.0σ，实验值分别为R(D*)=0.316±0.016和R(D)=0.397±0.040。
• CMS对h→μτ的测量得到分支比为(0.84−0.37+0.39)%，联合显著性为2.6σ，表明希格斯玻色子中存在轻子味违反。
• μ子反常磁矩存在2.7σ的偏离（Δaμ = (236±87)×10−11），更保守的估计可达3.6σ。
• Z′玻色子、轻子球子和2HDM-X等模型可同时解释b→sμ+μ−、B→D(*)τν及aμ，其预测在B→K*ττ和Bs→τ+τ−中分支比增强。
• Lμ−Lτ型轻子味标量模型通过希格斯混合解释h→μτ，通过圈图贡献解释aμ，同时因对称性保护避免τ→μγ产生大贡献。