[论文解读] Constraints on Lepton Universality Violation from Rare $B$ Decays

M. Ciuchini, Marco Fedele+4 more|arXiv (Cornell University)|Dec 20, 2022

Particle physics theoretical and experimental studies被引用 8

一句话总结

本文使用更新的LHCb和CMS数据，对稀有B衰变中的新物理进行了全局贝叶斯分析，重点研究$b \to s\ell^+\ell^-$跃迁中的轻子普遍性破坏。结果表明，当包含强子态再散射效应时，数据与标准模型一致，对轻子普遍性破坏施加了严格约束，当前数据集中未发现新物理的显著证据。

ABSTRACT

The LHCb collaboration has very recently released a new study of $B^+ o K^{+} \ell^+ \ell^-$ and $B o K^{*0} \ell^+ \ell^-$ ($\ell = e,μ$) decays, testing lepton universality with unprecedented accuracy using the whole Run 1 and 2 dataset. In addition, the CMS collaboration has recently reported an improved analysis of the branching ratios $B_{(d,s)} oμ^+μ^-$. While these measurements offer, per se, a powerful probe of New Physics, global analyses of $b o s \ell^+ \ell^-$ transitions also rely on the assumptions about nonperturbative contributions to the decay matrix elements. In this work, we perform a global Bayesian analysis of New Physics in (semi)leptonic rare $B$ decays, paying attention to the role of charming penguins which are difficult to evaluate from first principles. We find data to be consistent with the Standard Model once rescattering from intermediate hadronic states is included. Consequently, we derive stringent bounds on lepton universality violation in $|ΔB | = | ΔS| = 1$ (semi)leptonic processes.

研究动机与目标

• 在LHCb和CMS关于$R_K$、$R_{K^*}$以及$B_{(d,s)}\to\mu^+\mu^-$分支比的新数据背景下，重新评估$b \to s\ell^+\ell^-$跃迁中的新物理效应。
• 评估魅夸克胶子云（charming penguins）和强子态再散射在$B\to K^{(*)}\ell^+\ell^-$衰变中的作用，这些效应难以从第一原理计算。
• 在SMEFT框架内通过全局拟合，推导出$|\Delta B|=|\Delta S|=1$半轻衰变中轻子普遍性破坏的模型无关约束。
• 比较数据驱动方法与模型依赖方法在估算非微扰强子贡献（特别是$\Delta C_{9,3}$和$\Delta C_9$）时的表现。

提出的方法

• 使用LHCb和CMS的完整Run 1和Run 2数据集进行全局贝叶斯分析，整合了$R_K$、$R_{K^*}$以及$B_{(d,s)}\to\mu^+\mu^-$分支比。
• 通过数据驱动的$B\to K^{(*)}\ell^+\ell^-$振幅参数化方法包含强子态再散射效应，使用复参数$h_{B\to K}^{(1)}$和$h_{B\to K}^{(2)}$。
• 使用数据驱动拟合和QCDF及轻锥求和规则的理论估算，对魅夸克胶子云的非微扰贡献进行建模。
• 采用标准模型有效场论（SMEFT）框架，通过威尔逊系数$C_9^{\rm NP}$、$C_{10}^{\rm NP}$和$C_9^{\rm NP,3}$参数化新物理贡献。
• 对强子参数应用分层先验以避免偏差，其取值范围足够大，以确保不影响拟合结果。
• 使用马尔可夫链蒙特卡洛方法计算后验分布，并报告关键强子和新物理贡献的68%最高后验密度区间（HPDIs）。

实验结果

研究问题

• RQ1 在包含更新的LHCb和CMS数据后，稀有B衰变中是否存在轻子普遍性破坏的证据？
• RQ2 强子态再散射效应（特别是来自中间强子态的贡献）在多大程度上使标准模型与实验数据一致？
• RQ3 在估算非微扰贡献（如$\Delta C_{9,3}$）时，数据驱动方法与模型依赖方法相比表现如何？
• RQ4 对新物理贡献在$b\to s\ell^+\ell^-$跃迁中的约束最为严格的是什么，特别是在$R_K$和$R_{K^*}$中？
• RQ5 单一新物理贡献是否能解释观测到的$R_K$和$R_{K^*}$异常？还是说更新的数据现在使其不再成立？

主要发现

• 当包含强子态再散射效应时，更新的LHCb和CMS数据与标准模型高度一致，此前轻子普遍性破坏的暗示显著减弱。
• 数据驱动方法对$B\to K^*$衰变中$|\Delta C_{9,3}(q^2)|$的68% HPDI在$q^2=6.0$ GeV$^2$时为[1.85, 3.27]，在$q^2=8.0$ GeV$^2$时为[1.02, 2.90]，显著大于QCDF的估算值。
• 对于$B\to K$衰变，数据驱动方法对$|\Delta C_9(q^2)|$在$q^2=8.0$ GeV$^2$时的约束为[2.80, 6.33]，而QCDF仅预测[0.18, 0.28]，表明存在显著的非微扰效应。
• 全局拟合显示，$R_K$和$R_{K^*}$的测量结果现在与标准模型一致，$R_{K_{[1.1,6]}} = 0.949^{+0.042}_{-0.041}$，$R_{{K^{*}}_{[1.1,6]}} = 1.027^{+0.072}_{-0.068}$，符合标准模型预期。
• 强子态再散射效应的引入解释了表观的$R_K$异常，而无需引入新物理，从而降低了对轻子普遍性破坏新物理模型的需求。
• 该分析对轻子普遍性破坏施加了严格上限，$|\Delta C_{9,3}(q^2)|$在$q^2=6.0$ GeV$^2$时被约束在3.3以下，对许多现有新物理模型构成挑战。