[论文解读] Lepton Flavor Universality tests through angular observables of $\overline{B} o D^{(\ast)}\ell\overlineν$ decay modes

Damir Bečirević, Marco Fedele+2 more|arXiv (Cornell University)|Jul 4, 2019

Particle physics theoretical and experimental studies参考文献 77被引用 19

一句话总结

本文提出在 $\bar{B} \to D^{(*)}\ell\bar{\nu}$ 衰变中使用角观测量来检验超出 $R(D^{(*)})$ 比值的轻子味 universality 破坏（LFUV）。通过构建包含所有允许洛伦兹结构的一般低能有效理论，表明测量角分布可区分新物理（NP）贡献的洛伦兹结构，即使 $R(D^{(*)})$ 与标准模型（SM）一致。关键结果是角观测量可探测仅通过 $R(D^{(*)})$ 无法检测到的新物理效应。

ABSTRACT

We discuss the possibility of using the observables deduced from the angular distribution of the $B o D^{(\ast)} \ell\barν$ decays to test the effects of lepton flavor universality violation (LFUV). We show that the measurement of even a subset of these observables could be very helpful in distinguishing the Lorentz structure of the New Physics contributions to these decays. To do so we use the low energy effective theory in which besides the Standard Model contribution we add all possible Lorentz structures with the couplings (Wilson coefficients) that are determined by matching theory with the measured ratios $R{(D^{(\ast)})}^\mathrm{exp}$. We argue that even in the situation in which the measured $R{(D^{(\ast)})}^\mathrm{exp}$ becomes fully compatible with the Standard Model, one can still have significant New Physics contributions the size of which could be probed by measuring the observables discussed in this paper and comparing them with their Standard Model predictions.

研究动机与目标

• 研究 $\bar{B} \to D^{(*)}\ell\bar{\nu}$ 衰变中的角观测量是否能提供超越 $R(D^{(*)})$ 比值的轻子味 universality 破坏（LFUV）敏感性。
• 确定即使 $R(D^{(*)})$ 测量结果与标准模型一致，是否可通过角分布唯一识别新物理（NP）贡献的洛伦兹结构。
• 构建一个包含所有可能洛伦兹不变新物理算符（矢量、轴矢量、标量、赝矢量、张量）的一般低能有效场论，系统研究新物理效应。
• 评估角观测量对涉及第三代轻子的新物理耦合的敏感性，假设对电子和μ子的耦合可忽略。
• 提供一种基于角分布区分不同新物理模型的框架，独立于 $|V_{cb}|$ 不确定性或形式因子假设。

提出的方法

• 为 $b \to c\ell\bar{\nu}$ 衰变构建一个一般低能有效场论，包含所有洛伦兹不变算符（矢量、轴矢量、标量、赝矢量、张量），并以威尔逊系数作为自由参数。
• 将有效理论与实验测得的 $R(D^{(*)})$ 数据匹配，以约束新物理威尔逊系数，假设偏差仅来自对τ轻子的耦合。
• 以 9 个独立角观测量（包括正向-反向不对称性、$\lambda_\ell$-不对称性，以及 $R_{L,T}$、$R_{A,B}$ 比值）的形式推导 $\bar{B} \to D^{(*)}\ell\bar{\nu}$ 衰变的完整角分布。
• 使用约束后的威尔逊系数计算每个角观测量的 SM 预测值与新物理贡献，通过蒙特卡洛采样传播不确定性。
• 对实验测得的 $R(D)$ 和 $R(D^*)$ 值进行拟合，以确定最佳拟合的新物理耦合，进而计算所有角观测量的对应预测值。
• 将所得新物理预测与 SM 值进行比较，以识别即使在 $R(D^{(*)})$ 与 SM 一致的场景下仍可观测的偏差。

实验结果

研究问题

• RQ1 在 $\bar{B} \to D^{(*)}\ell\bar{\nu}$ 衰变中，角观测量是否能区分新物理贡献的洛伦兹结构对轻子味 universality 破坏的影响？
• RQ2 若 $R(D^{(*)})$ 完全与标准模型兼容，角观测量是否仍能探测到新物理效应？
• RQ3 在有效场论框架下，哪些角观测量对特定新物理算符（如矢量、标量、张量）最敏感？
• RQ4 当由 $R(D^{(*)})$ 数据约束时，不同新物理场景（如 $g_V$、$g_A$、$g_S$、$g_T$）下角观测量的预测有何不同？
• RQ5 角分布分析是否能解决仅通过 $R(D^{(*)})$ 无法区分的新物理模型之间的模糊性？

主要发现

• 即使 $R(D^{(*)})$ 完全与标准模型兼容，$A_{FB}^{D^*}$、$A_{\lambda_\ell}^{D^*}$ 和 $A_5$ 等角观测量仍能揭示显著的新物理效应。
• $A_{\lambda_\ell}^{D^*}$ 不对称性对新物理贡献特别敏感：其对 $g_S$ 的预测为 $-0.25 \pm 0.05$，对 $g_T$ 的预测为 $0.22 \pm 0.02$，与 SM 的 $0.47 \pm 0.02$ 显著偏离。
• $R(R_{L,T})$ 观测量对标量和张量新物理高度敏感：其对 $g_S$ 的预测为 $0.99 \pm 0.04$，对 $g_T$ 的预测为 $0.46 \pm 0.02$，远背离 SM 的 $0.79 \pm 0.02$。
• $A_5$ 不对称性对新物理表现出强敏感性：其对 $g_V$ 的预测为 $1.24 \pm 0.02$，对 $g_A$ 的预测为 $0.71 \pm 0.03$，对 $g_T$ 的预测为 $0.55 \pm 0.05$，与 SM 的 $1.15 \pm 0.02$ 显著偏离。
• $A_7$ 和 $A_8$ 观测量对标量和张量新物理敏感：$D(A_7)$ 对 $g_P$ 的预测为 $-5.6 \pm 0.2 \times 10^{-3}$，对 $g_{S_R}$ 的预测为 $-2.2 \pm 0.1 \times 10^{-3}$；而 $A_9$ 对 $g_{S_R}$ 的预测为 $-0.047 \pm 0.001$。
• $A_{FB}^{D^*}$ 正向-反向不对称性表现出对新物理的强敏感性：其对 $g_A$ 的预测为 $-0.37 \pm 0.04$，对 $g_V$ 的预测为 $0.37 \pm 0.03$，与 SM 的 $0.23 \pm 0.04$ 显著偏离。