[论文解读] Challenges for New Physics in the Flavour Sector

Andreas Crivellin|arXiv (Cornell University)|Sep 2, 2014

Particle physics theoretical and experimental studies参考文献 191被引用 3

一句话总结

本文研究了在味物理领域嵌入新物理（NP）的挑战，重点关注能够调和 $B \to K^{*}\mu^{+}\mu^{-}$ 和粲子 $B$ 衰变中偏离标准模型（SM）预测的模型，同时满足稀有衰变和 $\Delta F=2$ 过程的严格约束。研究分析了在解耦极限下的2HDM模型，发现一般味结构通常导致矛盾，而具有特定耦合（如涉及 $Z'$ 或标量相互作用）的模型则可在不违反味约束的前提下解释异常现象。

ABSTRACT

In these proceedings I present a personal perspective of the challenges for new physics (NP) searches in the flavour sector. Since the CKM mechanism of flavour violation has been established to a very high precision, we know that physics beyond the Standard Model can only contribute sub-dominantly. Therefore, any realistic model of physics beyond the Standard Model (SM) must respect the stringent constrains from flavour observables like $b o s γ$, $B_s oμ^+μ^-$, $ΔF=2$ processes etc., in a first step. In a second step, it is interesting to ask the question if some deviations from the SM predictions (like the anomalous magnetic moment of the muon or recently observed discrepancies in tauonic $B$ decays or $B o K^*μ^+μ^-$) can be explained by a model of NP without violating bounds from other observables.

研究动机与目标

• 评估能够解释标准模型（SM）预测偏离的新物理模型在味物理领域的可行性。
• 分析来自 $\Delta F=2$ 过程、辐射衰变（$b \to s\gamma$）以及 $B_{s} \to \mu^{+}\mu^{-}$ 衰变的严格约束，如何限制可行的新物理模型。
• 研究是否能够同时满足所有现有味可观测量的模型，解释 $B \to K^{*}\mu^{+}\mu^{-}$ 和粲子 $B$ 衰变中的异常现象。
• 评估味结构（如非全纯耦合和 $Z'$-介导相互作用）在平衡异常与约束中的作用。
• 确定 $B \to K^{*}\mu^{+}\mu^{-}$ 和 $R_K$ 测量中的观测矛盾是否可由最小味违反解释，或是否需要更复杂的NP结构。

提出的方法

• 以在解耦极限下的2HDM作为基准模型，采用通用Yukawa耦合，允许存在非全纯味改变的中性流（FCNCs）。
• 应用有效场论技术推导低能拉格朗日量，包括 $H_u^1$、$H_d^2$ 和 $\epsilon^{q}_{ij}$ 参数以描述味破坏耦合。
• 对味可观测量进行全局拟合，包括 $B_{s,d} \to \mu^{+}\mu^{-}$、$b \to s\gamma$、$K^0$-$\overline{K}^0$ 混合以及 $\mu \to e\gamma$，以约束新物理参数。
• 分析 $B \to K^{*}\mu^{+}\mu^{-}$ 衰变的角分布和 $R_K$ 比值，识别与标准模型预测的偏离。
• 将模型预测与LHCb、BaBar和CDF的实验数据进行比较，重点关注 $q^2$-依赖可观测量和形式因子无关的测量。
• 评估 $Z'$-玻色子和标量介导的新物理模型在解释异常的同时，仍与 $\Delta F=2$ 和轻子味违反约束保持一致的可行性。

实验结果

研究问题

• RQ1 具有通用Yukawa耦合的2HDM是否能在不违反 $B_{s} \to \mu^{+}\mu^{-}$ 或 $b \to s\gamma$ 约束的前提下，解释 $B \to K^{*}\mu^{+}\mu^{-}$ 异常？
• RQ2 $\mu \to e\gamma$ 和 $K_L \to \mu^+\mu^-$ 约束在多大程度上限制了具有非全纯耦合的2HDM模型的参数空间？
• RQ3 $Z'$-玻色子或标量介导的新物理是否能解释 $R_K$ 异常和 $B \to K^{*}\mu^{+}\mu^{-}$ 数据，同时满足 $\Delta F=2$ 和 $\ell_i \to \ell_f \gamma$ 约束？
• RQ4 2HDM拉格朗日量中的 $\epsilon^{q}_{ij}$ 参数如何影响新物理模型与全局味拟合的兼容性？
• RQ5 非最小味结构对 $B \to K^{*}\mu^{+}\mu^{-}$ 数据与标准模型预测之间张力的影响是什么？

主要发现

• 具有通用Yukawa耦合的2HDM因 $\Delta F=2$ 过程和 $B_{s} \to \mu^{+}\mu^{-}$ 的强约束，通常将新物理贡献限制在大多数情况下的10%以内。
• 通过 $Z'$-玻色子交换的模型可在 $Z'$ 主要耦合至第三代费米子的前提下，解释 $B \to K^{*}\mu^{+}\mu^{-}$ 异常和 $R_K$ 偏离，同时与 $B_{s} \to \mu^{+}\mu^{-}$ 和 $\mu \to e\gamma$ 约束保持一致。
• 标量介导的新物理模型，特别是那些具有类似 $Z'$ 的 $b \to s\mu\mu$ 耦合的模型，可在不违反 $\Delta F=2$ 约束的前提下，解释 $B \to K^{*}\mu^{+}\mu^{-}$ 角分布异常。
• $R_K$ 异常——定义为 $R_K = \text{Br}(B \to K \mu^+\mu^-)/\text{Br}(B \to K e^+e^-)$——显示出与标准模型的2.5–3σ偏离，提示可能存在轻子味非普遍性。
• $B \to K^{*}\mu^{+}\mu^{-}$ 的角分布显示出在低-$q^2$ 区域与标准模型预测的显著偏离，特别是在 $P_5'$ 可观测量中，这种偏离无法由标准模型QCD修正解释。
• 非最小味结构（如2HDM中的非全纯耦合）通常与 $\mu \to e\gamma$ 和 $K_L \to \mu^+\mu^-$ 存在矛盾，需精细调节或额外对称性才能保持可行性。