[论文解读] Lepton nonuniversality anomalies and implications

Gudrun Hiller|arXiv (Cornell University)|Apr 5, 2018

Particle physics theoretical and experimental studies参考文献 28被引用 4

一句话总结

本文研究罕见 B 介子衰变中的轻子非普适性异常，确定 V-A 型算符——特别是 $C_9^{ m NP}$ 和 $C_{10}^{ m NP}$——是 $R_K$ 和 $R_{K^*}$ 中偏差的主要来源，其中 $R_K \simeq 0.745$ 且 $R_{K^*} \simeq 0.69$，对应 $q^2 \in [1.1,6]~\text{GeV}^2$。它预测了包含衰变 $B \to X_s \ell\ell$ 的 $R_{X_s} \simeq 0.73 \pm 0.07$，可在 Belle II 上检验，并指出标量和矢量轻子偶素是可行的新物理解释。

ABSTRACT

We discuss avenues for diagnosing new physics hinted from lepton nonuniversality in rare $b$-decays, and physics implications.

研究动机与目标

• 诊断罕见 $b \to s\ell\ell$ 衰变中轻子非普适性（LNU）异常的起源，特别是 $R_K$ 和 $R_{K^*}$ 中的异常。
• 确定异常是否源于缪子、电子或两者中的新物理（NP），利用轻子特异性测量。
• 探索与其他味物理领域的关联，包括粲物理、奇异强子物理、轻子味破坏（LFV）以及 $\tau$ 介子衰变。
• 识别可解释异常的可行新物理模型——特别是轻子偶素——同时满足现有约束条件。
• 为未来实验提供可检验的预测，包括 Belle II 和 LHC 上的 $R_{X_s}$ 和 $B \to K^{(*)}ee$ 衰变。

提出的方法

• 采用维度六的有效场论框架，以 $\mathcal{H}_{\rm eff} = -4G_F/\sqrt{2} \, V_{tb}V_{ts}^* \sum_i C_i(\mu) O_i(\mu)$ 描述 $b \to s\ell\ell$ 转换。
• 应用线性近似 $\mathcal{B} = |A^{\rm SM} + A^{\rm NP}|^2 \approx |A^{\rm SM}|^2 + 2\,{\rm Re}(A^{\rm SM} A^{\rm NP*}) + |A^{\rm NP}|^2$ 以分离新物理贡献。
• 分析 $R_H = \mathcal{B}(B \to \bar{H}\mu\mu)/\mathcal{B}(B \to \bar{H}ee)$ 对于 $H = K, K^*, X_s$，使用 $q^2$-积分分支比以减少强子不确定性。
• 通过 $C_9^{\rm NP}$ 和 $C_{10}^{\rm NP}$ 确定主导的新物理结构，其中对于缪子有 $\Delta C_9^{\rm NP} \sim -1.1 \pm 0.3$ 且 $\Delta C_{10}^{\rm NP} \sim -1.1 \pm 0.3$。
• 基于 $R_K$ 和 $R_{K^*}$ 数据，利用 $R_H$ 比值之间的对称性关系，预测 $R_{X_s} \simeq 0.73 \pm 0.07$。
• 评估轻子偶素模型（$S_3, V_3, V_1$）作为可行解释，排除因 V+A 结构而不可行的 $\tilde{S}_2$，并推导出质量与耦合的模型无关上限。

实验结果

研究问题

• RQ1 导致 $R_K$ 和 $R_{K^*}$ 异常的新物理的主导狄拉克结构（V-A、V+A 等）是什么？
• RQ2 轻子特异性测量能否区分异常是由缪子中的新物理、电子中的新物理，还是两者共同引起？
• RQ3 哪些轻子偶素模型能同时解释 $R_K$ 和 $R_{K^*}$ 异常，同时满足来自 $B_s \to \mu\mu$ 的约束？
• RQ4 对于 $R_{X_s}$ 和其他 $R_H$ 比值的可检验预测是什么？它们如何在 Belle II 上被探测？
• RQ5 这些异常如何与其它味敏感过程相关联，例如 $R_{D^{(*)}}$、$\mu \to e\gamma$ 或 $K^0 \to \mu^+\mu^-$？

主要发现

• $R_K$ 和 $R_{K^*}$ 异常——测量值为 $R_K^{\rm LHCb} = 0.745^{+0.090}_{-0.074} \pm 0.036$ 和 $R_{K^*}^{\rm LHCb} = 0.69^{+0.11}_{-0.07} \pm 0.05$——表明与轻子普适性存在 $\sim 2.6\sigma$ 的偏离。
• 这些异常最可能由 V-A 型新物理算符解释，其中缪子的 $\Delta C_9^{\rm NP} \sim -1.1 \pm 0.3$ 且 $\Delta C_{10}^{\rm NP} \sim -1.1 \pm 0.3$。
• 包含衰变 $B \to X_s \ell\ell$ 的 $R_{X_s}$ 比值预测为 $R_{X_s} \simeq 0.73 \pm 0.07$，是 Belle II 上可清晰检验的信号。
• 标量三重态（$S_3$）、矢量三重态（$V_3$）和矢量单重态（$V_1$）轻子偶素是可行的树图级解释，而标量双态（$\tilde{S}_2$）则不被青睐。
• 对轻子偶素质量的模型无关上限分别为 $\sim 40$、$45$ 和 $20$ TeV（对应 $S_3$、$V_1$ 和 $V_3$），且大部分参数空间超出 LHC 探测范围。
• 这些异常与 $B_s \to \mu\mu$ 约束一致，其中 $0 \lesssim {\rm Re}[C_{10}^{\rm NP\mu} - C_{10}^{\prime\rm NP\mu}] \lesssim 0.9$。