[论文解读] Implications of an enhanced $B o K ν\bar ν$ branching ratio

Rigo Bause, Hector Gisbert+1 more|arXiv (Cornell University)|Aug 31, 2023

Particle physics theoretical and experimental studies被引用 7

一句话总结

本文研究了Belle II近期报告的增强型$B^+ \to K^+ \nu\bar{\nu}$分支比所带来的影响，该结果超出标准模型预测的3至7倍。作者表明，除非新物理是轻的，否则此异常将导致轻子味 universality 的破坏，从而要求存在质量为5–10 TeV的树图中介粒子——如轻子球子或$Z'$玻色子——并选择性地耦合至τ轻子，同时需通过非最小化的模型构建以满足味对称性约束。

ABSTRACT

Rare decays mediated by $b o s ν\bar ν$ transitions have been reported by the Belle II experiment. The branching ratio of the decay $B^+ o K^+ ν\bar ν$ is found to be enhanced with respect to the standard model value. If taken at face value, the implications are profound: either lepton flavor universality is violated at the (multi)-TeV-scale, or light new physics is involved. This holds in general if $\mathcal{B}(B^+ o K^+ ν\bar ν)$ exceeds $1.2 \cdot 10^{-5} \, (1.3 \cdot 10^{-5})$ at $1 σ$ ($2 σ$), which tightens with a decreasing upper limit on $\mathcal{B}(B o K^*ν\bar ν)$, that is in reach of the Belle II experiment. In view of the strong constraints on electron-muon universality violation in $|Δb|=|Δs|=1$ processes, viable explanations are heavy, $(5-10)$-TeV tree-level new physics mediators that couple only to tau-flavors, or lepton flavor violating ones. In addition, couplings of similar size to both left- and right-handed quarks are generically required, implying non-minimal BSM sectors which are carefully balanced against flavor constraints. The decay $B_s^0 o ext{invisibles}$ can shed light on whether new physics is light or heavy. In the former case, branching ratios can be as large as $10^{-5}$.

研究动机与目标

• 评估Belle II观测到的$B^+ \to K^+ \nu\bar{\nu}$分支比增强所具有的模型无关影响。
• 利用Belle II的包含标记结果，测试$b \to s \nu\bar{\nu}$跃迁中的轻子味 universality。
• 确定该异常是否指向轻或重的新物理，特别是通过$B_s^0 \to \text{invisibles}$衰变模式。
• 约束能够解释该增强现象同时满足现有味物理约束的可行新物理模型。

提出的方法

• 通过包含左手和右手电流算符的弱有效哈密顿量建模$b \to s \nu\bar{\nu}$衰变。
• 使用威尔逊系数$C^{\nu\nu}'_{L,R}$来参数化新物理对分支比的贡献。
• 应用Bause等人（2021年）提出的轻子味 universality 测试方法，分析Belle II的包含标记结果。
• 通过$R_{K,K^*}$和$B \to K^* \nu\bar{\nu}$的约束排除轻的新物理。
• 构建包含轻子球子（$S_1, S_3$）和矢量单重态（$V_1$）的显式模型，以生成所需的$b \to s \nu\bar{\nu}$振幅。
• 从观测到的分支比增强推导出质量尺度和汤川耦合，要求树图中介粒子的质量为$M \sim 5{-}10\,\text{TeV}$。

实验结果

研究问题

• RQ1 Belle II对$\mathcal{B}(B^+ \to K^+ \nu\bar{\nu}) = (2.3 \pm 0.7) \times 10^{-5}$的观测是否意味着轻子味 universality 的破坏？
• RQ2 哪些是最小的新物理模型，能够解释该增强现象同时满足味约束？
• RQ3 $B_s^0 \to \text{invisibles}$衰变率能否区分轻与重的新物理？
• RQ4 为何$B \to K^* \nu\bar{\nu}$和$R_{K,K^*}$数据与universality一致，而$B^+ \to K^+ \nu\bar{\nu}$却不一致？

主要发现

• Belle II对$\mathcal{B}(B^+ \to K^+ \nu\bar{\nu}) = (2.3 \pm 0.7) \times 10^{-5}$的测量结果比标准模型预测高出3至7倍，对应2.7σ的偏离。
• 若在1σ水平下分支比超过$1.2 \times 10^{-5}$，或在2σ水平下超过$1.3 \times 10^{-5}$，则除非新物理是轻的，否则将违反轻子味 universality。
• 可行的解释需要质量在$5{-}10\,\text{TeV}$范围内的树图中介粒子，仅耦合至τ轻子，或具有轻子味破坏的耦合。
• 包含$S_1$和$\tilde{S}_2$轻子球子或$S_3$三重态的模型可生成所需的$C_L$和$C_R$威尔逊系数，当汤川耦合为阶1时，其质量$M \sim 5\,\text{TeV}$。
• $B_s^0 \to \text{invisibles}$衰变可探测新物理的尺度，若新物理是轻的，其分支比可能达到$10^{-5}$。
• 需要非最小化的模型构建，包括多个轻子球子表示或矢量单重态，以抵消$b \to c\tau\nu$过程的贡献并满足味物理约束。