[论文解读] Implications of $b o s$ measurements

Wolfgang Altmannshofer, David M. Straub|arXiv (Cornell University)|Mar 20, 2015

Particle physics theoretical and experimental studies参考文献 23被引用 73

一句话总结

本文对 $b \to s\mu^+\mu^-$ 衰变进行了全局模型无关拟合，发现在新物理影响威尔逊系数 $C_9$ 时，与标准模型存在 3.7σ 的张力。若纳入 $b \to se^+e^-$ 数据并假设新物理仅影响μ子模式，则张力上升至 4.2σ，强烈支持新物理而非强子效应是该异常的根源。

ABSTRACT

The recent updated angular analysis of the $B o K^*μ^+μ^-$ decay by the LHCb collaboration is interpreted by performing a global fit to all relevant measurements probing the flavour-changing neutral current $b o sμ^+μ^-$ transition. A significant tension with Standard Model expectations is found. A solution with new physics modifying the Wilson coefficient $C_9$ is preferred over the Standard Model by $3.7σ$. The tension even increases to $4.2σ$ including also $b o se^+e^-$ measurements and assuming new physics to affect the muonic modes only. Other new physics benchmarks are discussed as well. The $q^2$ dependence of the shift in $C_9$ is suggested as a means to identify the origin of the tension - new physics or an unexpectedly large hadronic effect.

研究动机与目标

• 评估标准模型与LHCb完整3 fb$^{-1}$数据集下 $B\to K^{*}\mu^+\mu^-$ 角度可观测量更新结果的相容性。
• 检验在 $b\to s\mu^+\mu^-$ 衰变中观察到的张力是否可由新物理或低估的强子不确定性解释。
• 通过整合六项实验的88项测量，利用全局拟合确定新物理对威尔逊系数的偏好贡献，特别是 $C_9$。
• 评估 $C_9^\text{NP}$ 的 $q^2$ 依赖性，作为区分新物理与大顶夸克圈效应的关键判别指标。
• 识别实验与理论上的交叉验证方法，以在稀有 $B$ 衰变中明确区分新物理与强相互作用效应。

提出的方法

• 构建一个 $\chi^2$ 函数，量化实验数据与理论预测之间的相容性，同时纳入实验与理论的协方差矩阵。
• 结合轻锥求和规则与格点QCD对 $B\to K^*$ 形因子进行联合拟合，以减少分析中的理论不确定性。
• 对六项实验中的88项可观测量进行全局拟合，包括 $B\to K^{*}\mu^+\mu^{-}$、$B\to K\mu^+\mu^{-}$、$B_s\to\phi\mu^+\mu^{-}$、$B\to X_s\mu^+\mu^{-}$、$B\to K^*\gamma$、$B\to X_s\gamma$ 以及 $B_s\to\mu^+\mu^{-}$。
• 通过 $\chi^2_\text{SM} = 116.9$（对应88项测量，p值为2.1%）评估与标准模型的张力显著性，以及包含 $e^+e^-$ 数据后91项测量的 $\chi^2 = 125.8$。
• 分析 $C_9^\text{NP}$ 的 $q^2$ 依赖性，以区分新物理与大强子效应（特别是 $J/\psi$ 共振区附近的顶夸克圈效应）。

实验结果

研究问题

• RQ1 在 $B\to K^{*}\mu^+\mu^{-}$ 角度可观测量中观察到的张力是否与标准模型预测一致，还是指向新物理？
• RQ2 能否通过 $C_9$ 的新物理贡献解释 $R_K$ 异常（轻子味 universality 破坏）？
• RQ3 $C_9$ 偏移的 $q^2$ 依赖性是否更支持新物理，还是出乎意料的大顶夸克圈效应？
• RQ4 $B\to K^{*}\mu^+\mu^{-}$ 衰变中的张力是否源于低估的形因子不确定性？
• RQ5 在稀有 $B$ 衰变中，哪些实验信号可明确区分新物理与强子效应？

主要发现

• 当仅拟合 $B\to K^{*}\mu^+\mu^{-}$ 数据时，标准模型在 3.7σ 显著性下被排除，$\chi^2_\text{SM} = 116.9$（对应88项测量）。
• 纳入 $b\to se^+e^-$ 数据后，张力上升至 4.2σ，$\chi^2_\text{SM} = 125.8$（对应91项测量）。
• 强烈偏好新物理对 $C_9$ 的贡献，最佳拟合的 $C_9^\text{NP}$ 与负向偏移一致。
• $C_9^\text{NP} = -C_{10}^\text{NP} < 0$ 的模型对数据拟合最佳，与 $Z^\prime$ 或轻子偶素模型一致。
• $C_9^\text{NP}$ 的 $q^2$ 依赖性是关键判别指标：$q^2$ 相关的偏移更支持新物理而非大强子效应。
• $J/\psi$ 共振区是关键检验区域，因为该区域的强效应可能模拟新物理信号，从而可区分异常是否源于顶夸克圈或新物理。