[论文解读] Charming Penguins and Lepton Universality Violation in $b o s \ell^+ \ell^-$ decays

M. Ciuchini, Marco Fedele+4 more|arXiv (Cornell University)|Oct 19, 2021

Particle physics theoretical and experimental studies被引用 5

一句话总结

本文通过数据驱动方法研究底夸克衰变 b → sℓ⁺ℓ⁻ 中轻子味 universality 的破坏（LUV），聚焦魅夸克圈（charming penguin）贡献。基于 LHCb 对 B → K(⁎)ℓ⁺ℓ⁻ 衰变的数据分析，发现当前数据表明魅夸克圈振幅具有显著的 q² 和螺旋度依赖性，支持新物理（NP）模型中左旋或轴向耦合而非矢量耦合，且保守的强子不确定性对可靠推断 NP 至关重要。

ABSTRACT

The LHCb experiment has recently presented new results on Lepton Universality Violation (LUV) in $B ightarrow K^{(*)} \ell ^+ \ell ^-$ decays involving $K_S$ in the final state, which strengthen the recent evidence of LUV obtained in $B^+ ightarrow K^{+} \ell ^+ \ell ^-$ decays and the previous measurements of $B ightarrow K^{*0} \ell ^+ \ell ^-$. While LUV observables in the Standard Model are theoretically clean, their predictions in New Physics scenarios are sensitive to the details of the hadronic dynamics, and in particular of the charming penguin contribution. In this work, we show how a conservative treatment of hadronic uncertainties is crucial not only to assess the significance of deviations from the Standard Model but also to obtain a conservative picture of the New Physics responsible for LUV. Adopting a very general parameterization of charming penguins, we find that: (i) current data hint at a sizable $q^2$ and helicity dependence of charm loop amplitudes; (ii) conservative NP solutions to B anomalies favour a left-handed or an axial lepton coupling rather than a vector one.

研究动机与目标

• 评估当前 LHCb 对 b → sℓ⁺ℓ⁻ 衰变的数据是否显示出魅夸克圈振幅中 q² 和螺旋度的非平凡依赖性。
• 确定强子不确定性（尤其是魅夸克圈矩阵元）如何影响对轻子味 universality 破坏中新物理（NP）的推断。
• 比较不同魅夸克圈贡献的参数化方法（数据驱动、模型依赖）及其对 NP 场景选择的影响。
• 识别与 LUV 数据兼容的最保守且稳健的新物理场景，尤其在 RK 和 RK* 测量存在张力的背景下。
• 为未来 LHC 和 Belle II 的高精度数据提供解释 LUV 新物理起源的框架。

提出的方法

• 采用一般性参数化方法，描述来自魅夸克圈的非因子化 QCD 功率修正，具有 q² 和螺旋度依赖性。
• 使用 LHCb 对 B → K(⁎)ℓ⁺ℓ⁻ 衰变的实验数据，包括微分分支比和角分布。
• 进行全局拟合，同时约束短距离新物理威尔逊系数和长距离魅夸克圈贡献。
• 比较三种方法：数据驱动（非参数化）、基于参考文献 [34] 的模型依赖，以及基于参考文献 [67] 的模型依赖，用于魅夸克圈矩阵元。
• 应用贝叶斯推断，计算在每种假设下新物理系数的后验概率密度函数（p.d.f.s）。
• 通过信息准则（IC）和后验等高线评估新物理的显著性，判断模型与数据的兼容性。

实验结果

研究问题

• RQ1 当前 b → sℓ⁺ℓ⁻ 衰变数据是否显示出魅夸克圈振幅中 q² 和螺旋度的非平凡依赖性？
• RQ2 对强子不确定性（尤其是魅夸克圈贡献）的不同处理方式如何影响新物理场景的推断？
• RQ3 在保守强子建模的前提下，解释 b → sℓ⁺ℓ⁻ 衰变中 LUV 的新物理结构（如矢量、轴向、左旋）偏好为何种形式？
• RQ4 结果如何依赖于魅夸克圈振幅的参数化选择？
• RQ5 在保守强子不确定性估计下，当前数据最支持哪种新物理场景（如非零 C9、C10 或 CLQ2223）？

主要发现

• 当前数据显著提示魅夸克圈振幅中存在 q² 和螺旋度依赖性，表明长距离效应显著，超出局部矩阵元的描述。
• 保守的新物理解偏好左旋或轴向轻子耦合（非零 CNP10 或 CLQ2223），而非矢量耦合（CNP9），后者受强子约束所排斥。
• 数据驱动方法对非零 CNP10 的 ∆IC 为 34（相对于 SM），对 CLQ2223 为 33，表明对这些场景有强烈支持。
• 基于参考文献 [67] 的模型依赖方法偏好更复杂的 NP 场景，包含四个非零系数（∆IC = 98），尽管仅 CNP9 非零的简化场景（∆IC = 88）也合理。
• 后验分布显示，数据驱动方法得到的 CNP9 后验 p.d.f. 与零兼容，而基于参考文献 [34] 的模型依赖方法则对非零 CNP9 略有偏好。
• 魅夸克圈参数化的选取对新物理推断有决定性影响，极端情况下可从纯轴向耦合到纯矢量耦合，凸显精确强子建模的必要性。