[论文解读] $B$ meson anomalies and large $B^{+} o K^{+}ν\barν$ in non-universal $U(1)^\prime$ models

Peter Athron, R. Martinez+1 more|arXiv (Cornell University)|Aug 25, 2023

Particle physics theoretical and experimental studies参考文献 37被引用 6

一句话总结

本文提出，具有轻子味破坏耦合的非普适 $U(1)'$ 模型可同时解释 $B$ 介子异常和 Belle II 在 $B^+\to K^+\nu\bar{\nu}$ 衰变中观测到的 $2.8\sigma$ 偏差。通过在带电轻子混合矩阵中引入非对角元，该模型在树图级别显著增强 $\mathrm{BR}(B^+\to K^+\nu\bar{\nu})$，在轻子味普适情况下实现 $10\%$ 的提升，而在轻子味破坏情形下则足以匹配 Belle II 的数据，同时预测未来实验可观测到 $B_s\to e^\pm\mu^\mp$ 衰变。

ABSTRACT

In view of both the latest LHCb measurement of $R_{K^{(*)}}$ and the new $2.8σ$ deviation reported by Belle II on $B^{+} o K^{+}ν\barν$ decays, we present a fit to the $B$ meson anomalies for various one and two dimensional hypothesis including complex Wilson coefficients. We show in a model-independent way that the generic non-universal $U(1)^{\prime}$ extensions of the SM, without flavour violation, fail to simultaneously fit those observables and corroborate that they can modify $\mathrm{BR}(B^{+} o K^{+}ν\barν)$ up to only a $10\%$. In view of this deficit, we propose a new way in which those models can accommodate the data at tree level by introducing lepton flavour violating couplings and non-diagonal elements of the charged lepton mixing matrix, with implications in future charged lepton flavour violation searches.

研究动机与目标

• 为解决标准模型预测与 Belle II 对 $B^+\to K^+\nu\bar{\nu}$ 测量之间存在的张力，该测量显示存在 $2.8\sigma$ 偏差。
• 研究非普适 $U(1)'$ 模型——此前被认为仅能将 $\mathrm{BR}(B^+\to K^+\nu\bar{\nu})$ 提升 $\leq10\%$——是否能解释观测到的异常。
• 探讨轻子味破坏耦合及非对角带电轻子混合矩阵在实现树图级别更大 $B^+\to K^+\nu\bar{\nu}$ 增强中的作用。
• 预测可观测的带电轻子味破坏衰变，特别是 $B_s\to e^\pm\mu^\mp$，作为未来实验的信号。

提出的方法

• 对 $b\to s\ell\ell$ 和 $b\to s\nu\bar{\nu}$ 观测量进行五维全局拟合，包含最新的 LHCb $R_{K^{(*))}$ 数据和 Belle II 的 $B^+\to K^+\nu\bar{\nu}$ 测量结果。
• 使用 flavio 包计算威尔逊系数，并将其映射到具有轻子味普适（LFUV）和轻子味破坏（LFV）耦合的 $U(1)'$ 模型参数空间。
• 施加来自 $B_s$-$\overline{B}_s$ 混合、中微子三重态产生以及 $\mu\to e\gamma$ 衰变的约束，以限制可行参数空间。
• 分析带电轻子混合矩阵中非对角元对 $B^+\to K^+\nu\bar{\nu}$ 分支比及 CLFV 衰变的影响。
• 利用 He:2021yoz 中的理论表达式，预测未来 $B_s\to e^\pm\mu^\mp$ 和 $B^+\to K^+\ell^\pm\ell'^\mp$ 衰变的发现潜力。
• 对 $\chi^2$ 函数应用二次近似，将威尔逊系数映射至模型参数。

Figure 1: Global fits showing $1\sigma$ (lighter colours) and $2\sigma$ (darker colours) regions of the $b\to s\ell^{+}\ell^{-}$ data available from LHCb (bright blue), CMS (green), ATLAS (orange), Belle and BaBar (both combined and displayed in blue). Given that the vast majority of observables com

实验结果

研究问题

• RQ1 具有轻子味普适耦合的非普适 $U(1)'$ 模型能否解释 Belle II 的 $B^+\to K^+\nu\bar{\nu}$ 测量结果？
• RQ2 在不引入新味结构的前提下，轻子味普适 $U(1)'$ 模型中 $\mathrm{BR}(B^+\to K^+\nu\bar{\nu})$ 的最大可能增强是多少？
• RQ3 $U(1)'$ 模型中的轻子味破坏耦合如何实现对 $B^+\to K^+\nu\bar{\nu}$ 的更大增强以匹配 Belle II 数据？
• RQ4 在可行参数空间中，对如 $B_s\to e^\pm\mu^\mp$ 等带电轻子味破坏衰变有何预测？
• RQ5 此类模型中的 $Z'$ 玻色子是否可在未来对撞机（如缪子对撞机）或通过 Belle II 和 LHCb 升级 II 的 $B_s$ 衰变中被探测到？

主要发现

• 轻子味普适 $U(1)'$ 模型最多只能将 $\mathrm{BR}(B^+\to K^+\nu\bar{\nu})$ 提升 $10\%$，不足以解释 Belle II 的 $2.8\sigma$ 偏差。
• 在带电轻子混合矩阵中引入量级为 $\mathcal{O}(0.4)$ 的非对角元，可使 $U(1)'$ 模型产生足够大的 $\mathrm{BR}(B^+\to K^+\nu\bar{\nu})$ 增强，以匹配 Belle II 数据。
• $\mu\to e\gamma$ 约束显著限制了可行参数空间，尤其在 $\{X_L^\mu, X_L^\tau\}$ 和 $\{X_R, X_L^e\}$ 平面中，但允许 $Z'$ 质量在 $1\sigma$ 水平下处于 2–8 TeV 范围。
• $B_s\to e^\pm\mu^\mp$ 衰变模式的分支比预测处于未来实验的探测能力范围内，尤其在 Belle II 和 LHCb 升级 II 中。
• $B_s\to \mu^\pm\tau^\mp$ 衰变同样预测可观测，且在 $e^\pm\mu^\mp$ 通道中具有强发现潜力。
• 模型无关拟合显示与标准模型存在 $5.9\sigma$ 的拉力，确认了异常的显著性以及标准模型之外新物理的必要性。

Figure 2: Fits to the $B$ meson anomalies with complex Wilson coefficients. Left: $\{\textrm{Re}(C_{9}^{\mu\mu}),\>\textrm{Im}(C_{9}^{\mu\mu})\}$ scenario with $\Delta\chi^{2}=13.5$ and $\textrm{Pull}_{\textrm{SM}}=4.8\sigma$ . Right: $\{\textrm{Re}(C_{9}^{\mu\mu})=\textrm{Re}(C_{9}^{ee}),\>\textrm{