[论文解读] Lepton universality violation and lepton flavor conservation in $B$-meson decays

Rodrigo Alonso, Benjaḿın Grinstein+1 more|arXiv (Cornell University)|May 19, 2015

Particle physics theoretical and experimental studies被引用 155

一句话总结

本文通过假设最小 flavor 破坏的唯象有效场论框架，研究了 $B$-介子衰变中的轻子普适性破坏，表明一个几 TeV 量级的新物理尺度、主要与μ子耦合的模型可解释 $R_K$ 异常，而不会引发轻子味破坏。一个关键预测是 $b\to s\tau\tau$ 衰变率出现 $\sim10^3$ 倍增强，且在 $B$ 陶子衰变中产生显著效应，可能解释观测到的 $B\to D^{(*)}\tau\bar{\nu}$ 和 $B^{-}\to\tau^{-}\bar{\nu}$ 过量。

ABSTRACT

Anomalies in (semi)leptonic $B$-meson decays present interesting patterns that might be revealing the shape of the new physics to come. In order to understand the experimental data, we explore symmetry arguments that lead to the hypothesis of minimal flavor violation. In particular, under the assumption of negligible neutrino mass effects in charged lepton processes, the presence of lepton universality violation without lepton flavor violation naturally arises. This can account for a deficit of $B^+ o K^+μμ$ over $B^+ o K^+ee$ decays with new physics coupled predominantly to muons and a new physics scale of a few TeV. A prediction of this scenario is the modification of processes involving the third generation. In particular, accounting for the above ratio implies a large enhancement, by a factor $\sim10^3$ with respect to the standard model, of all the $b o sττ$ decay rates. Although these are still below current experimental limits, they should be easily at reach in future experiments at $B$-factories. Another important consequence is the prediction of sizable effects in charge-current $B$ tauonic decays which could also explain the enhancements that have been observed in the $B o D^{(*)}τ\bar ν$ and $B^- oτ^-\bar ν$ decays. For the most part, the study is carried out in an effective field theory framework with an underlying $SU(2)_L imes U(1)_Y$ symmetry that emphasizes the model-independent correlations arising between low- and high-energy observables. For example, a connection between $B$-decays and top physics is pointed out. To complement the discussion, all possible (spin 0 and 1) leptoquark models are matched to the low-energy field theory so that the effective analysis can be used to survey these candidates for new physics. These models also serve as concrete examples where the hypotheses of this work can be implemented.

研究动机与目标

• 理解 $B$-介子衰变中异常现象的起源，特别是指示轻子普适性破坏的 $R_K$ 异常。
• 探讨在对称性原理下，轻子普适性破坏是否可能在不引发轻子味破坏的情况下发生。
• 在最小 flavor 破坏的背景下，识别低能 $B$ 衰变可观测量与高能物理之间的模型无关关联。
• 检验标量夸克模型作为所提出新物理框架实现方案的可行性。

提出的方法

• 使用具有 $SU(2)_L \times U(1)_Y$ 规范对称性的有效场论框架，推导低能与高能可观测量之间的模型无关关联。
• 应用对称性论证，表明在最小 flavor 破坏假设下，可实现不引发轻子味破坏的轻子普适性破坏。
• 将所有可能的自旋为 0 和自旋为 1 的标量夸克模型与低能有效理论匹配，以识别可行的新物理候选者。
• 在积分掉重标量夸克态后推导有效拉格朗日量，将其投影到标准模型算符基，以计算 $B$ 衰变振幅。
• 使用 EFT 形式化方法计算 $B\to K\mu\mu$、$B\to K^*\mu\mu$ 及 $B$ 陶子衰变中的分支比与角可观测量。
• 将预测结果与 LHCb 和 $B$-工厂的实验数据进行比较，重点关注 $R_K$、$R_{K^*}$ 及 $B\to D^{(*)}\tau\bar{\nu}$ 的衰变率。

实验结果

研究问题

• RQ1 在 $B$-介子衰变中，轻子普适性破坏是否可能在不引发轻子味破坏的情况下发生？其背后的对称性原理是什么？
• RQ2 如果 $R_K$ 异常是由主要与μ子耦合的新物理引起的，那么 $b\to s\tau\tau$ 衰变率的模型无关预测是什么？
• RQ3 在最小 flavor 破坏下，$b\to s\ell\ell$ 与 $b\to c\tau\bar{\nu}$ 衰变可观测量之间存在何种关联？
• RQ4 标量夸克模型能否实现所提出的场景，同时与当前实验约束保持一致？
• RQ5 $R_K$ 异常对顶夸克物理及其他味破坏过程有何影响？

主要发现

• 在 $B^+\to K^+\mu\mu$ 与 $B^+\to K^+ee$ 衰变中，$R_K$ 异常（偏离标准模型 $2.6\sigma$）可由一个几 TeV 量级、主要与μ子耦合的新物理解释。
• 在最小 flavor 破坏下，该模型预测所有 $b\to s\tau\tau$ 衰变率相比标准模型增强 $\sim10^3$ 倍，尽管仍低于当前实验限制。
• 该场景在电荷当前 $B$ 陶子衰变中预测显著效应，包括 $B\to D^{(*)}\tau\bar{\nu}$ 和 $B^{-}\to\tau^{-}\bar{\nu}$，可能解释观测到的 $B\to D^{(*)}\tau\bar{\nu}$ 中 $3.6\sigma$ 过量。
• 建立了 $B$ 衰变与顶夸克物理之间的联系，表明顶夸克过程也可能对同一新物理尺度敏感。
• 所有自旋为 0 和自旋为 1 的标量夸克模型均已与低能 EFT 匹配，表明它们可实现所提出的基于对称性的框架，并重现 $R_K$ 异常。
• 从积分掉标量夸克导出的有效拉格朗日量确认，$b\to d_j\ell_\alpha\ell_\beta$ 转换的主要贡献来自特定标量夸克耦合，其中 $\Delta_{-7/6}$ 和 $V_{-2/3}$ 类型对 $R_K$ 异常最为关键。