[论文解读] Beyond the Standard Model with Lepton Flavor Universality Violation

Andreas Crivellin, Joaquim Matias|arXiv (Cornell University)|Apr 26, 2022

Particle physics theoretical and experimental studies被引用 6

一句话总结

本文通过标准模型之外的新物理中的轻子 flavor 一致性破坏（LFUV），提出了对 B 介子衰变中多种异常现象、μ子的反常磁矩以及其他味破坏过程的统一解释。研究表明，这些多样的实验迹象——从 $ R(K^{(*)}) $ 和 $ R(D^{(*)}) $ 到 $ a_\mu $ 与二电子共振——可通过一个具有对μ子、电子和τ轻子非普遍耦合的新物理领域一致解释，显著增强了未来对撞机搜索的理论依据。

ABSTRACT

In recent years, exciting (indirect) hints for physics beyond the Standard Model (SM) have been accumulated. In particular, semi-leptonic $B$ decays show deviations from the SM predictions, which, due to the ratios $R(K^{(*)})$ and $R(D^{(*)})$ are obviously related to lepton flavour universality violation (LFUV). However, {we point out} there are more anomalies which admit an interpretation in terms of LFUV: The anomalous magnetic moment of the muon, the Cabibbo angle anomaly, the CMS measurements of non-resonant di-electrons, the difference of the forward-backward asymmetry in $B o D^*\ellν$ and leptonic tau decays. In this letter we discuss the experimental and theoretical status of these anomalies, {compare their strength and weaknesses} and examine {and synthesize} how they can be explained in terms of possible extensions of the SM by new particles and interactions. Even though not all anomalies might be confirmed in the future, this unified view of the anomalies in terms of LFUV significantly strengthens their relevance, which is crucial in order to construct a convincing physics case for future colliders.

研究动机与目标

• 识别并分析味物理中多个实验异常，这些异常暗示了标准模型之外的物理（BSM）存在。
• 证明这些异常——从 $ R(K^{(*)}) $ 和 $ R(D^{(*)}) $ 到 $ a_\mu $ 与二电子信号——可一致地解释为轻子味一致性破坏（LFUV）的表现形式。
• 将这些异常整合为一个具有带电轻子非普遍耦合的统一 BSM 框架，增强新物理的理论与实验动机。
• 通过展示 LFUV 的共同起源显著提升异常的稳健性，从而加强未来对撞机的物理依据。
• 在 LFUV 模型背景下，全面比较各项异常的优缺点。

提出的方法

• 分析 LHCb、Belle、BaBar 和 CMS 在半轻子 $ B \to K^{(*)} \ell^+\ell^- $、$ B \to D^{(*)} \tau \nu $ 与 $ B_s \to \mu^+\mu^- $ 衰变中的实验数据，提取 $ R(K^{(*)}) $ 与 $ R(D^{(*)}) $ 比值。
• 将μ子的反常磁矩 ($ a_\mu $) 与Cabibbo角异常（CAA）作为额外的 LFUV 敏感可观测量进行评估。
• 将 $ q\bar{q} \to e^+e^- $ 中的非共振二电子产生过程与 $ B \to D^* \ell \nu $ 中的正向-反向不对称性差异 $ \Delta A_{\rm FB} $ 视为进一步的 LFUV 指示器。
• 对多个可观测量进行全局拟合，表明在 SM 预测基础上具有约 20% 破坏性干涉的新物理模型在 >7σ 水平上占优。
• 构建有效场论模型，引入新的矢量、标量或矢量型费米子媒介子，通过非普遍耦合诱导 LFUV。
• 使用理论工具如形式因子无关比值（例如 $ Q_5 = P_5'^\mu - P_5'^e $）与精确 QCD 修正，以减少 $ b \to s\ell^+\ell^- $ 衰变中的理论不确定性。

实验结果

研究问题

• RQ1 观测到的 $ R(K^{(*)}) $、$ R(D^{(*)}) $、$ a_\mu $ 与 $ \Delta A_{\rm FB} $ 偏差能否由单一新物理机制一致解释？
• RQ2 在 $ b \to s\ell^+\ell^- $、$ b \to c\tau\nu $ 与 $ a_\mu $ 中的异常在多大程度上指向轻子味一致性破坏（LFUV）作为共同起源？
• RQ3 在约束新物理模型方面，不同 LFUV 敏感可观测量的强度与理论稳健性如何比较？
• RQ4 哪些最小的 BSM 扩展（如新规范玻色子、标量媒介子）能通过 LFUV 同时解释多个异常？
• RQ5 对多个 LFUV 敏感可观测量的全局拟合如何影响新物理相对于标准模型的统计显著性？

主要发现

• $ R(K^{(*)}) $ 与 $ R(D^{(*)}) $ 异常各自具有约 3σ 显著性，与增强μ子道相对电子道的共同新物理贡献一致。
• μ子的反常磁矩 ($ a_\mu $) 与 SM 存在 4.2σ 偏差，可通过具有μ子特异性耦合的 $ Z' $ 规范玻色子或标量媒介子通过 LFUV 解释。
• Cabibbo 角异常（CAA）与 $ q\bar{q} \to e^+e^- $ 中的非共振二电子信号也与 LFUV 一致，暗示存在共同的新物理领域。
• $ B \to D^* \ell \nu $ 中的正向-反向不对称性差异 $ \Delta A_{\rm FB} $ 对 LFUV 敏感，且与 $ R(D^{(*)}) $ 和 $ R(K^{(*)}) $ 异常一致。
• 对所有 LFUV 敏感可观测量的全局拟合表明，在 SM 预测基础上具有约 20% 破坏性干涉的新物理场景在超过 7σ 显著性下占优。
• 这些异常在 LFUV 框架下的统一，显著加强了未来对撞机探测具有非普遍轻子耦合的共同 BSM 领域的物理依据。