[论文解读] Diquark Explanation of $b o s\ell^+\ell^-$

Andreas Crivellin, M. Kirk|Zurich Open Repository and Archive (University of Zurich)|Sep 13, 2023

Particle physics theoretical and experimental studiesPhysics and Astronomy参考文献 151被引用 3

一句话总结

该论文提出了一种由胶子色标（二夸克）介导的机制，其中带色的标量（二夸克）在树图级别诱导出 $(\bar{s}\gamma^\mu P_L b)(\bar{c}\gamma_\mu P_L c)$ 运算子的威尔逊系数，随后通过虚光子 penguin 图将其混合进入 $C_9$ 系数。该模型成功解释了 $b\to s\ell^+\ell^-$ 异常，获得与 $R(K^{(*)})$ 和 $B_s\to\mu^+\mu^-$ 数据一致的轻子味不变的 $C_9 \approx -0.5$，同时避开了 $\Delta M_s$、$\Delta\Gamma$、$B\to X_s\gamma$ 和 $D^0$-$\bar{D}^0$ 混合的约束，预测二夸克质量约为 500 GeV。

ABSTRACT

The discrepancies between $b o s\ell^+\ell^-$ data and the corresponding Standard Model predictions point to the existence of new physics with a significance at the $5σ$ level. While previously a lepton flavour universality violating effect was preferred, the new $R(K^{(*)})$ and $B_s oμ^+μ^-$ measurements are now compatible with the Standard Model, favouring a lepton flavour universal beyond the Standard Model contribution to $C_9$. Since heavy new physics is generally chiral, and because of the stringent constraints from charged lepton flavour violation, this poses a challenge for model building. In this article, we point out a novel possibility: a diquark, i.e. a coloured scalar, induces the Wilson coefficient of the $(\bar s γ^μP_L b) (\bar c γ_μP_L c)$ operator at tree-level, which then mixes into $O_9$ via an off-shell photon penguin. This setup allows for a lepton flavour universal effect of $C_9\approx-0.5$, without violating bounds from $ΔM_s$, $ΔΓ$, $B o X_sγ$ and $D^0-\bar D^0$ mixing. This scenario predicts a small and negative $C_9^{\prime}$ and a light diquark, preferably with a mass around $500\,$GeV, as compatible with the CMS di-di-jet analysis, and a deficit in the inclusive $b o c\bar c s$ rate.

研究动机与目标

• 为解决 $B$ 衰变中持续存在的 $b\to s\ell^+\ell^-$ 异常，特别是 $B\to K\mu^+\mu^-$ 模式中 $P_5'$ 和分支比张力，该张力目前为 $4.7\sigma$。
• 应对构建一个避免来自带电轻子味破坏（cLFV），尤其是 $\mu\to e\gamma$ 严格约束的轻子味不变的新物理模型的挑战。
• 探索一种新机制：带色标量（二夸克）通过与 $\bar{c}c$ 当量的树图耦合，介导 $b\to s\ell^+\ell^-$ 衰变，随后通过 penguin 图混合进入 $C_9$。
• 识别一种可行且最小化的模型，能够以 $C_9 \approx -0.5$ 解释 $C_9$ 异常，同时与 $B_s\to\mu^+\mu^-$、$\Delta M_s$、$\Delta\Gamma$ 和 $B\to X_s\gamma$ 约束相容。

提出的方法

• 带色标量（二夸克）在树图级别耦合至 $(\bar{s}\gamma^\mu P_L b)(\bar{c}\gamma_\mu P_L c)$ 运算子，产生非轻子味不变的类似 $C_9$ 的贡献。
• 通过虚光子 penguin 图，二夸克诱导的运算子混合进入 $C_9$ 威尔逊系数，从而实现轻子味不变的 $C_9$ 贡献。
• 利用有效场论技术分析该模型，从包含二夸克和夸克耦合的完整紫外理论中推导出圈函数和匹配条件。
• 利用现有实验约束和格点 QCD 输入，评估来自 $\Delta M_s$、$\Delta\Gamma$、$B\to X_s\gamma$、$D^0$-$\bar{D}^0$ 混合以及 $\mu\to e\gamma$ 的约束。
• 该模型预测一个较小且为负的 $C_9' \approx -0.1$，以及约 500 GeV 的轻二夸克质量，与 CMS 二喷注共振搜索一致。
• 评估了 $B_s$ 寿命比和半轻子不对称性 $a_{\text{sl}}^s$ 以检验一致性，但当前精度限制了其敏感度。

实验结果

研究问题

• RQ1 是否可以通过二夸克介导的机制，在不违反 cLFV 约束的前提下，为 $b\to s\ell^+\ell^-$ 衰变生成一个轻子味不变的 $C_9$ 贡献，以解释观测到的异常？
• RQ2 如何通过与 $\bar{c}c$ 当量的树图耦合，经由 penguin 混合产生类似 $C_9$ 的效应？其对二夸克质量与耦合的约束是什么？
• RQ3 该模型是否与最新的 $R(K^{(*)})$ 和 $B_s\to\mu^+\mu^-$ 测量结果一致？这些结果现在更支持轻子味不变性。
• RQ4 该模型对 $\Delta M_s$、$\Delta\Gamma$、$B\to X_s\gamma$ 和 $D^0$-$\bar{D}^0$ 混合有何影响？能否避开这些严格约束？
• RQ5 该模型是否在二喷注共振搜索中预测可观测信号？二夸克质量是否与 CMS 二喷注分析兼容？

主要发现

• 该模型成功生成了轻子味不变的 $C_9 \approx -0.5$，这是当前全局拟合中解释 $b\to s\ell^+\ell^-$ 异常的主要原因。
• 通过虚光子 penguin 图，二夸克诱导的运算子混合进入 $C_9$，实现了树图级别 $\bar{c}c$ 耦合的同时保持轻子味不变性。
• 该模型预测 $C_9' \approx -0.1$ 为小且负值，与当前实验约束一致，未引入新的张力。
• 质量约为 500 GeV 的轻二夸克被偏好，且与 CMS 二喷注共振搜索一致，该搜索未发现显著信号，但允许存在此类状态。
• 由于二夸克耦合的特定结构以及缺乏显著的 GIM 抵消，该模型避开了 $\Delta M_s$、$\Delta\Gamma$、$B\to X_s\gamma$ 和 $D^0$-$\bar{D}^0$ 混合的约束。
• $B_s$ 寿命比和半轻子不对称性 $a_{\text{sl}}^s$ 的预测值偏离标准模型，但当前实验精度不足以区分该模型与标准模型。