[论文解读] $\bar B o D^{(*)} au \bar u$ and $ au$ polarization in a generic two-Higgs-doublet model

Chuan-Hung Chen, Takaaki Nomura|arXiv (Cornell University)|Mar 10, 2017

Particle physics theoretical and experimental studies被引用 4

一句话总结

本文研究了在通用双 Higgs 双重模型中，带电 Higgs 玻色子如何影响 B 介子衰变中的 $R_D$ 和 $R_{D^*}$ 异常，特别关注 τ 轻子的极化和正向-后向不对称性。研究发现，必须同时引入两个独立的 Yukawa 耦合，才能在 $2\sigma$ 误差范围内同时解释异常现象并拟合分支比，且在 $\bar{B} \to D^* \tau \bar{\nu}_\tau$ 衰变中，τ 轻子极化出现显著偏差，并具有正负号反转的潜力。在标准模型条件下，模型预测 $P^\tau_D \approx 0.331$ 和 $P^\tau_{D^*} \approx -0.513$，且 $D^*$ 衰变的不对称性对带电 Higgs 敏感度很高。

ABSTRACT

We study the influence of a charged-Higgs on the excess of branching fraction ratio, $R_M = BR(\bar B o M au \bar u_ au)/BR(\bar B o M \ell \bar u_\ell)$ $(M=D, D^*)$, in a generic two-Higgs-doublet model. For investigating the lepton polarization, the detailed decay amplitudes with lepton helicity are given. When the charged-Higgs is used to resolve the excesses, it is found that two independent Yukawa couplings are needed to together explain the $R_D$ and $R_{D^*}$ anomalies and simultaneously fit the branching ratios of the decays within $2\sigma$ errors. We find that when all measurements in the $B$ decays are satisfied, the $ au$-lepton polarizations can be significantly affected by the charged-Higgs effects, where the standard model predictions are obtained as: $P^ au_{D} \approx 0.331$ and $P^ au_{D^*}\approx -0.513$. The lepton froward-backward asymmetry (FBA) is also studied. It is found that the asymmetry in the $\bar B o D^* au u_ au$ decay is more sensitive to the charged-Higgs effects, where in addition to the magnitude changed, the sign of the integrated FBA can be also reversed.

研究动机与目标

• 研究带电 Higgs 玻色子在解释 B 介子衰变中观测到的 $R_D$ 和 $R_{D^*}$ 异常中的作用。
• 分析带电 Higgs 贡献如何影响 $\bar{B} \to D^{(*)} \tau \bar{\nu}_\tau$ 衰变中 τ 轻子的极化。
• 研究 $\bar{B} \to D^* \tau \bar{\nu}_\tau$ 中的正向-后向不对称性（FBA）及其对带电 Higgs 效应的敏感性。
• 确定通用双 Higgs 双重模型（2HDM）是否能同时在 $2\sigma$ 不确定性范围内容纳 $R_D$ 和 $R_{D^*}$ 异常以及测量的分支比。

提出的方法

• 推导包含轻子手征态的 $\bar{B} \to D^{(*)} \tau \bar{\nu}_\tau$ 衰变振幅，以分析极化效应。
• 采用具有任意 Yukawa 耦合的通用双 Higgs 双重模型（2HDM），描述带电 Higgs 与费米子的相互作用。
• 结合带电 Higgs 和标准模型贡献，计算分支比和极化可观测量。
• 计算 $\bar{B} \to D^* \tau \bar{\nu}_\tau$ 中 τ 轻子的正向-后向不对称性（FBA），以评估对新物理的敏感性。
• 在 $2\sigma$ 容差范围内，将理论预测的 $R_D$、$R_{D^*}$、$P^\tau_D$、$P^\tau_{D^*}$ 和 FBA 与实验数据进行比较。
• 采用两个独立的 Yukawa 耦合参数，以允许对夸克和轻子的耦合非普遍，从而实现对 $R_D$ 和 $R_{D^*}$ 的同时拟合。

实验结果

研究问题

• RQ1 在具有带电 Higgs 玻色子的通用双 Higgs 双重模型中，能否在 $2\sigma$ 误差范围内同时解释 $R_D$ 和 $R_{D^*}$ 异常，并拟合测量的分支比？
• RQ2 与标准模型预测相比，带电 Higgs 贡献如何改变 $\bar{B} \to D^{(*)} \tau \bar{\nu}_\tau$ 衰变中 τ 轻子的极化？
• RQ3 在 $\bar{B} \to D^* \tau \bar{\nu}_\tau$ 中，正向-后向不对称性对带电 Higgs 效应的敏感性如何？其符号是否可能发生反转？
• RQ4 为使 2HDM 与 $R_D$ 和 $R_{D^*}$ 数据保持一致，Yukawa 耦合的结构需要如何设计？

主要发现

• 在 2HDM 中，必须引入两个独立的 Yukawa 耦合，才能在 $2\sigma$ 不确定性范围内同时解释 $R_D$ 和 $R_{D^*}$ 异常并拟合测量的分支比。
• 在标准模型条件下，$\bar{B} \to D \tau \bar{\nu}_\tau$ 中 τ 轻子的极化预测为 $P^\tau_D \approx 0.331$，而带电 Higgs 会引致显著偏差。
• 在标准模型条件下，$\bar{B} \to D^* \tau \bar{\nu}_\tau$ 中 τ 轻子的极化预测为 $P^\tau_{D^*} \approx -0.513$，而该值会因带电 Higgs 贡献而被强烈修改。
• $\bar{B} \to D^* \tau \bar{\nu}_\tau$ 的正向-后向不对称性（FBA）对带电 Higgs 效应高度敏感，且其积分 FBA 的符号可能反转。
• $D^*$ 衰变通道对带电 Higgs 效应的敏感度高于 $D$ 通道，使其成为探测新物理的更优候选。
• 该模型预测，带电 Higgs 贡献可显著改变 $D^*$ 正向-后向不对称性的大小和符号，为新物理提供独特信号。