[论文解读] Global fit to $b o cτν$ anomalies 2022 mid-autumn

Syuhei Iguro, Teppei Kitahara+1 more|arXiv (Cornell University)|Oct 19, 2022

Particle physics theoretical and experimental studies被引用 11

一句话总结

本文利用更新的LHCb Run 1数据对$b\to c\tau\bar{\nu}$异常现象进行了全局拟合，结合了标准模型中改进的形貌因子计算。结果发现与标准模型预测存在$4.1\sigma$的偏离，并对轻子偶素和单算符新物理情景进行了全局拟合，强调了极化观测量和高$p_T$搜索作为未来新物理模型的关键区分指标。

ABSTRACT

Recently, the LHCb collaboration announced a preliminary result of the test of lepton flavor universality (LFU) in $B o D^{(\ast)}$ semi-leptonic decays: $R_{D}^{ m LHCb2022} = 0.441 \pm 0.089$ and $R_{D^{\ast}}^{ m LHCb2022} = 0.281 \pm 0.030$ based on the LHC Run 1 data. This is the first result of $R_{D}$ for the LHCb experiment, and its precision is comparable to the other $B$-factory data. Interestingly, those data prefer the violation of the LFU again. A new world average of the data from the BaBar, Belle, and LHCb collaborations is $R_{D} = 0.358 \pm 0.027$ and $R_{D^{\ast}} = 0.285 \pm 0.013$. Including this new data, we update a circumstance of the $b o c τ\overlineν$ measurements and their implications for new physics. Incorporating recent developments for the $B o D^{(\ast)}$ form factors in the Standard Model (SM), we observe a $4.1 σ$ deviation from the SM predictions. Our updates also include; model-independent new physics (NP) formulae for the related observables; and the global fittings of parameters for leptoquark scenarios as well as single NP operator scenarios. Furthermore, we show future potential to indirectly distinguish different new physics scenarios with the use of the precise measurements of the polarization observables in $B o D^{(\ast)}τ\overlineν$ at the Belle II and the high-$p_{ m T}$ flavored-tail searches at the LHC. We also discuss an impact on the LFU violation in $Υ o l^+ l^-$.

研究动机与目标

• 利用最新的LHCb Run 1数据对$R_D$和$R_{D^*}$进行更新，以实现对$b\to c\tau\bar{\nu}$衰变的全局拟合。
• 在标准模型框架下评估$B\to D^{(*)}\tau\bar{\nu}$衰变中观测到的轻子味 universality (LFU) 破坏的显著性。
• 对新物理进行模型无关和模型特定的拟合，重点关注轻子偶素和单算符情景。
• 识别未来实验可观测量——特别是极化不对称性和高-$p_T$ 有味尾部搜索——以区分不同竞争的新物理模型。
• 探讨$b\to c\tau\bar{\nu}$异常现象对$\Upsilon\to l^+l^-$衰变中轻子味 universality 破坏的影响。

提出的方法

• 结合BaBar、Belle和LHCb的$R_D$与$R_{D^*}$测量结果，采用更新的不确定度和相关性，构建全局拟合框架。
• 整合近期来自格点QCD的$B\to D^{(*)}$形貌因子计算，以改进标准模型预测。
• 应用有效场论（EFT）技术，推导$b\to c\tau\bar{\nu}$跃迁的模型无关威尔逊系数。
• 对三种轻子偶素情景进行全局拟合：$\text{U}_1$、$\text{S}_1$和$\text{R}_2$，并包含紫外完成约束。
• 推导$B\to D^{(*)}\tau\bar{\nu}$衰变中极化可观测量（如$P_\tau$、$F_L$）的预测，以指导Belle II的测量。
• 分析大型强子对撞机（LHC）中高-$p_T$ 介子触发在通过有味尾部搜索探测新物理方面的潜力。

实验结果

研究问题

• RQ1 当结合最新的LHCb Run 1数据时，$b\to c\tau\bar{\nu}$异常现象的显著性如何？
• RQ2 改进的标准模型形貌因子计算如何影响数据与标准模型之间的张力？
• RQ3 哪些轻子偶素模型最能解释观测到的$R_D$和$R_{D^*}$异常？它们的区分性极化信号是什么？
• RQ4 Belle II未来对$B\to D^{(*)}\tau\bar{\nu}$极化不对称性的测量能否区分不同新物理情景？
• RQ5 $b\to c\tau\bar{\nu}$异常现象对$\Upsilon\to l^+l^-$衰变中轻子味 universality 破坏有何影响？

主要发现

• 更新后的世界平均值为$R_D = 0.358 \pm 0.025 \pm 0.012$和$R_{D^*} = 0.285 \pm 0.010 \pm 0.008$，与标准模型预测存在$4.1\sigma$的偏离。
• LHCb 2022年初步结果$R_D^{\text{LHCb2022}} = 0.441 \pm 0.089$和$R_{D^*}^{\text{LHCb2022}} = 0.281 \pm 0.030$与以往的世界平均值一致，进一步增强了全局张力。
• $\text{U}_1$轻子偶素模型在紫外完成下预测关系$C_{S_R} = -2e^{i\phi}C_{V_L}$，从而约束了允许的参数空间。
• $\text{R}_2$标量轻子偶素仅产生$C_{S_L}$和$C_T$项，与矢量型或$\text{S}_1$模型相比，其极化模式具有显著差异。
• $B\to D^{(*)}\tau\bar{\nu}$衰变中的极化可观测量（如$P_\tau$和$F_L$）被证明是区分不同新物理模型的强大判据。
• LHC中高-$p_T$ 介子触发为新物理提供了互补探测手段，尤其在区分$\text{U}_1$和$\text{S}_1$轻子偶素情景方面具有优势。