[论文解读] Effect of scalar leptoquarks on the lepton flavor violation decays of B meson

Jin-Huan Sheng, Ru-Min Wang+1 more|arXiv (Cornell University)|May 14, 2018

Particle physics theoretical and experimental studies参考文献 32被引用 6

一句话总结

本文研究了标量轻子希格斯粒子对轻子味破坏的稀有B介子衰变的影响，特别是 $B \to K^{(*)}\ell_i^-\ell_j^+$ 衰变过程（$i \neq j$），并利用实验分支比上限的约束条件。研究发现，标量轻子希格斯粒子的贡献显著影响双轻子质量谱和角分布不对称性等可观测量，为在LHCb实验中探测标准模型之外的新物理提供了独特信号。

ABSTRACT

Leptoquarks have been suggested to solve a variety of discrepancies between the expected and observed phenomenon. In this paper, we investigate the effect of scalar leptoquarks on the lepton flavor violating B meson rare decays which involve the quark level transition $\bar{b} o \bar{s} \ell^-_i \ell^+_j(i eq j)$. The leptoquark parameter space is constrained by using the recently measured upper limits on the $\mathcal{B}(B_s^0 o \ell^-_i \ell^+_j)$ and $\mathcal{B}(B o K^{(*)}\ell^-_i \ell^+_j)$. Using such constrained leptoquark parameter space, some relevant physical quantities are also predicted and we find that the constrained New Physics parameters in the leptoquark model have very obvious effects on the relevant physical quantities in this paper. With future measurements of observable in $B o K^{(*)}\ell^-_i \ell^+_j$ decays at the LHCb, more and more differentiated from the other NP explanations could be tested.

研究动机与目标

• 研究标量轻子希格斯粒子在标准模型之外介导 $b \to s\ell_i^-\ell_j^+$ 衰变中的作用。
• 利用近期实验对 $\mathcal{B}(B_s^0 \to \ell_i^-\ell_j^+)$ 和 $\mathcal{B}(B \to K^{(*)}\ell_i^-\ell_j^+)$ 的上限，约束轻子希格斯粒子的参数空间。
• 预测这些受约束的轻子希格斯粒子耦合对关键可观测量（如双轻子不变质量谱、轻子极化不对称性和正向-反向不对称性）的影响。

提出的方法

• 构建具有 $SU(3)\times SU(2)\times U(1)$ 量子数的标量轻子希格斯粒子的有效拉格朗日量，具体为 $X=(3,2,7/6)$ 和 $X=(3,2,1/6)$，以描述 $b \to s\ell_i^-\ell_j^+$ 转换过程。
• 推导涉及标量轻子希格斯粒子交换的树图费曼图，包括 $B \to K$ 和 $B \to K^*$ 衰变的螺旋度振幅。
• 计算不同轻子螺旋度配置 $\lambda_{\ell_i}, \lambda_{\ell_j}$ 下的双微分衰变率 $d^2\Gamma/ds\,d\cos\theta$，并引入强子形式因子 $A_1, A_2, V, A_0$。
• 利用Fierz变换和螺旋度振幅形式，将衰变率表示为 $|G_{LQ}|^2$、$h_{m,n}$ 和强子流分量的函数。
• 应用实验对 $\mathcal{B}(B_s^0 \to \ell_i^-\ell_j^+)$ 和 $\mathcal{B}(B \to K^{(*)}\ell_i^-\ell_j^+)$ 的上限，以约束轻子希格斯粒子耦合的乘积。
• 对分支比和角可观测量进行数值分析，比较轻子希格斯粒子贡献下的预测与标准模型预期。

实验结果

研究问题

• RQ1 标量轻子希格斯粒子如何改变 $B \to K^{(*)}\ell_i^-\ell_j^+$ 衰变中双轻子不变质量谱（$i \neq j$）？
• RQ2 标量轻子希格斯粒子的贡献在多大程度上影响这些衰变中的纵向轻子极化不对称性？
• RQ3 在实验约束下，标量轻子希格斯粒子交换是否能显著改变 $B \to K^{*}\ell_i^-\ell_j^+$ 的正向-反向不对称性？
• RQ4 在两种标量轻子希格斯粒子模型（$X=(3,2,7/6)$ 和 $X=(3,2,1/6)$）下，$B \to K^{(*)}\ell_i^-\ell_j^+$ 衰变的预测有何不同？
• RQ5 未来对这些可观测量的测量，LHCb在多大程度上能够通过区分标量轻子希格斯粒子贡献与其他新物理模型？

主要发现

• 受约束的轻子希格斯粒子参数空间在双轻子不变质量谱中引发表征性的偏离，特别是在低-$q^2$ 区域，显示出对新物理效应的强敏感性。
• 由于标量轻子希格斯粒子的贡献，纵向轻子极化不对称性表现出可测量的增强，尤其在 $B \to K^*\ell_i^-\ell_j^+$ 衰变道中更为显著。
• 正向-反向不对称性受到修改，其变化方式取决于轻子希格斯粒子模型和螺旋度配置，为区分不同模型提供了独特信号。
• 与 $X=(3,2,1/6)$ 模型相比，$X=(3,2,7/6)$ 模型在衰变率中贡献更大，特别是在 $\lambda_{\ell_i} = \lambda_{\ell_j} = \pm 1/2$ 螺旋度配置下。
• 在受约束的轻子希格斯粒子参数下，$B \to K^{(*)}\ell_i^-\ell_j^+$ 的预测分支比仍处于当前实验上限范围内，因此在未来LHCb运行中可被检验。
• 本研究表明，未来对 $B \to K^{(*)}\ell_i^-\ell_j^+$ 衰变中角可观测量的高精度测量，能够有效区分标量轻子希格斯粒子模型与其他新物理情景。