[论文解读] Investigating the role of new physics in $b \ o c \ au \\bar \ u_\ au$ transitions

S. Sahoo, Rukmani Mohanta|arXiv (Cornell University)|Oct 21, 2019

Particle physics theoretical and experimental studies被引用 4

一句话总结

本文使用最一般的有效拉格朗日量对 $b \to c\tau\bar{\nu}_\tau$ 矩阵元进行模型无关分析，以探测半轻衰变 $B$ 和 $B_s$ 中的新物理（NP）。通过全局 $\chi^2$ 拟合 $R_{D^{(*)}}$、$R_{J/\psi}$ 和 $B_c^+ \to \tau^+\bar{\nu}_\tau$ 分支比数据，发现标量和张量耦合——尤其是 $S_R$ 和 $T$——显著影响四个 $q^2$ 区间内角观测量和轻子非幺正比值，其中复数 $S_R$ 和 $T$ 提供最敏感的新物理探测手段。

ABSTRACT

In recent times, the charged-current mediated semileptonic $b \ o c \ au \\bar \ u_\ au$ processes have attracted a lot of attention after the observation of lepton non-universality ratios, $R_{D^{(*)}}$, $R_{J/\\psi}$ and the measurements on $D^*$ and $\ au$ longitudinal polarization fractions in $\\bar B\ o D^* \ au \\bar \ u_\ au$ processes. We present a model-independent analysis of $ \\bar B\ o D^{(*)} \ au \\bar \ u_\ au$, $ B_s\ o D_s^{(*)} \ au \\bar \ u_\ au$, $ B_c^+ \ o (\\eta_c, J/\\psi) \ au^+ \ u_\ au$, $\\Lambda_b \ o \\Lambda_c \ au \\bar \ u_\ au$ and $\\bar B \ o D^{**} \ au \\bar \ u_\ au$ (where $D^{**} = \\{D^*_0, D_1^*, D_1, D_2^*\\}$ are the four lightest excited charm mesons) processes involving $b \ o c \ au \\bar \ u$ quark level transitions by considering the most general effective Lagrangian in the presence of new physics. We perform a global fit to various set of new coefficients, including the measurements on $R_{D^{(*)}}$, $R_{J/\\psi}$ and the upper limit on Br($B_c^+ \ o \ au^+ \\bar \ u_\ au$). We then show the implications of constrained new couplings on the branching fractions, lepton non-universality ratios and various angular observables of these decay modes in four different bins of $q^2$.

研究动机与目标

• 研究标准模型之外的 $b \to c\tau\bar{\nu}_\tau$ 衰变中新物理的作用。
• 使用包含矢量、标量和张量相互作用的最一般有效拉格朗日量，进行模型无关分析。
• 通过 $R_{D^{(*)}}$、$R_{J/\psi}$ 和 $B_c^+ \to \tau^+\bar{\nu}_\tau$ 分支比的全局 $\chi^2$ 拟合，约束新物理耦合。
• 研究分支比、轻子非幺正性比值和角观测量对四个 $q^2$ 区间内新威尔逊系数的敏感性。
• 识别在 $\bar{B} \to D^{(*)}\tau\bar{\nu}_\tau$、$B_s \to D_s^{(*)}\tau\bar{\nu}_\tau$、$B_c^+ \to \eta_c, J/\psi\,\tau^+\nu_\tau$、$\Lambda_b \to \Lambda_c\tau\bar{\nu}_\tau$ 和 $\bar{B} \to D^{**}\tau\bar{\nu}_\tau$ 衰变中，对观测量影响最大的新物理算符（实数或复数）。

提出的方法

• 构建包含所有可能矢量、标量和张量流相互作用的通用有效拉格朗日量，用于描述 $b \to c\tau\bar{\nu}_\tau$ 衰变。
• 定义10种实威尔逊系数的独立组合，以及三种涉及实/复耦合的情形，以探索参数空间。
• 对实验数据（$R_{D^{(*)}}$、$R_{J/\psi}$ 和 $\text{Br}(B_c^+ \to \tau^+\bar{\nu}_\tau)$）执行全局 $\chi^2$ 最小化拟合。
• 在四个 $q^2$ 区间内计算分支比、正向-反向不对称性、轻子和强子极化不对称性，以及 $R_{D^{**}}$ 比值：$[m_\tau^2, 5]$、$[5, 7]$、$[7, 9]$ 和 $[9, (m_B - m_P)^2]$。
• 分析角观测量对单个及组合新物理耦合的敏感性，识别每个 $q^2$ 区间内的主导贡献。
• 将预测结果与标准模型值比较，评估偏差以确定新物理的最敏感探测手段。

实验结果

研究问题

• RQ1 在 $b \to c\tau\bar{\nu}_\tau$ 衰变中，哪种新物理耦合——矢量、标量或张量——最显著改变轻子非幺正性比值 $R_{D^{(*)}}$ 和 $R_{J/\psi}$？
• RQ2 实数与复数威尔逊系数如何影响 $\bar{B} \to D^{(*)}\tau\bar{\nu}_\tau$ 和 $B_s \to D_s^{(*)}\tau\bar{\nu}_\tau$ 衰变中 $q^2$-依赖的分支比与角观测量？
• RQ3 在四个 $q^2$ 区间内，$\tau$-极化与正向-反向不对称性对不同类型新物理算符的相对敏感性如何？
• RQ4 哪一组两个实威尔逊系数会导致分支比与角观测量与标准模型产生最大偏离？
• RQ5 $\bar{B} \to D^{**}\tau\bar{\nu}_\tau$ 衰变中 $D^{**}$-共振态（$D^{*}_{0}, D_{1}^{*}, D_{1}, D_{2}^{*}$）对新物理的响应如何，特别是在 $R_{D^{**}}$ 中？

主要发现

• 复数 $S_R$ 和 $T$ 耦合在角观测量中产生与标准模型值最显著的偏离，尤其在 $q^2 \in [5,7]$ 和 $[7,9]$ 区间。
• 实数 $S_R$ 耦合在所有 $q^2$ 区间中诱导了 $R_{D^{**}}$ 最大的相对变化，最高可达 3.61，远超标准模型预测值 0.526。
• $S_L \& S_R$ 和 $S_L \& T$ 组合的实威尔逊系数在分支比与角观测量中产生最显著的偏离，优于其他双系数组合，对实验数据的拟合效果更优。
• 复数 $S_L$ 耦合对某些角观测量的影响大于其他复数耦合，尤其在 $[7,9]$ $q^2$ 区间内表现更显著。
• 正向-反向不对称性对 $V_L$ 耦合不敏感，而 $\tau$-极化不对称性与矢量型耦合无关，凸显了极化对标量与张量相互作用的独特敏感性。
• 实/复数 $S_R$ 的最优拟合值并未使 $\chi^2/{\rm d.o.f.}$ 最小，表明尽管 $S_R$ 本身影响强烈，但其他组合（如 $S_L \& S_R$）能提供更优的整体数据拟合。