[论文解读] Leptoquark models for the $B$-physics anomalies

Olcyr Sumensari|arXiv (Cornell University)|May 22, 2017

Particle physics theoretical and experimental studies参考文献 3被引用 6

一句话总结

本文提出一个标量轻子数子模型，包含一个 (3,2)₁/₆ 量子数的标量轻子数子和轻的右手中微子，以同时解释 $B$-物理中的异常现象：$R_K^\text{exp} < R_K^\text{SM}$ 与 $R_{D^{(*)}}^\text{exp} > R_{D^{(*)}}^\text{SM}$。该模型预测了可观测的轻子味违反衰变模式，如 $B \to K\mu\tau$，分支比高达 $6.7 \times 10^{-6}$，并显著增强了 $B_c \to \eta_c\tau\nu$ 和 $B_c \to \tau\nu$ 的衰变率，为 LHCb 和未来的 B 介子工厂提供了可检验的信号。

ABSTRACT

The $B$-physics experiments at LHCb, BaBar and Belle hint towards deviations from Lepton Flavor Universality in both the tree-level and loop-induced $B$ meson semileptonic decays. We propose a leptoquark model with light right-handed neutrinos which can accommodate both $R_K^\mathrm{exp}R_{D^{(\ast)}}^\mathrm{SM}$. We discuss several of its predictions which can be tested in modern day experiments. We also comment on the recent finding at LHCb, namely $R_{K^\ast}^{\mathrm{exp}}

研究动机与目标

• 为解决 $B$-介子衰变中持续存在的轻子味 universality (LFU) 破坏现象，特别是 $R_K < 1$ 和 $R_D > 1$ 的异常。
• 构建一个可重整化的、物理上可行的模型，同时容纳 $R_K$ 和 $R_D$ 异常，且不与现有的味物理约束冲突。
• 为可探测的轻子味违反衰变和 $B_c$ 衰变提供可检验的预测，这些衰变可在正在进行和未来的实验中被检验。
• 解决近期 LHCb 对 $R_{K^*}^\text{exp} < R_{K^*}^\text{SM}$ 的暗示，探索该模型是否可扩展以解释这一新异常。

提出的方法

• 引入一个具有量子数 $(3,2)_{1/6}$ 的标量轻子数子，以及一个轻的右手中微子，通过树图耦合介导 $b \to s\ell\ell$ 和 $b \to c\ell\nu$ 衰变过程。
• 利用 Yukawa 耦合 $Y_L$ 和 $Y_R$ 在低能下构建有效拉格朗日量，其中威尔逊系数通过 $m_\Delta \sim 1\ \text{TeV}$ 的圈抑制获得。
• 应用来自 $B \to K\mu\mu$、$B \to D\tau\nu$、$B \to K\mu\tau$、$B_c \to \eta_c\tau\nu$ 和 $B_c \to \tau\nu$ 衰变的约束，以及 $\tau \to \mu\gamma$ 和 $B_s \to \bar{B}_s$ 混合的约束。
• 使用格点 QCD 形因子计算 $B \to D$ 和 $B \to D^*$ 衰变的 $R_D$ 和 $R_{D^*}$，其中由于 LQCD 数据不完整，$R_{D^*}$ 以定性方式处理。
• 在实验和理论约束下对 Yukawa 耦合进行全局拟合，以推导出具有预测性的分支比。
• 考虑其他轻子数子态，如 $(\bar{3},3)_{1/3}$ 和 $(3,2)_{7/6}$，通过圈图贡献解释 $R_{K^*}$ 异常，同时保持质子稳定性。

实验结果

研究问题

• RQ1 一个包含轻右手中微子的单一轻子数子模型是否能同时解释 $B$-介子衰变中 $R_K < 1$ 和 $R_D > 1$ 的异常？
• RQ2 此类模型预测了哪些可观测的轻子味违反衰变模式？其分支比是多少？
• RQ3 与标准模型相比，该模型如何影响 $B_c \to \eta_c\tau\nu$ 和 $B_c \to \tau\nu$ 衰变率？
• RQ4 该模型能否解释近期 LHCb 对 $R_{K^*}^\text{exp} < R_{K^*}^\text{SM}$ 的暗示？若能，通过何种机制？
• RQ5 该模型对质子稳定性和其他味改变过程有何影响？

主要发现

• 该模型预测 $R_K = 0.88(8)$，与实验值 $R_K^\text{exp} = 0.745 \pm 0.090_{-0.074}^{+0.036}$ 在 $2.4\sigma$ 水平一致。
• 该模型在 $1\sigma$ 水平内容纳了 $R_D^\text{exp} > R_D^\text{SM}$，预测 $R_D = 0.41 \pm 0.05$。
• 轻子味违反衰变 $B \to K\mu\tau$ 的分支比预测范围为 $2.1 \times 10^{-10}$ 到 $6.7 \times 10^{-6}$，在 LHCb 上可能被观测到。
• 该模型显著增强了 $B_c \to \eta_c\tau\nu$ 衰变率，预测 $R_{\eta_c}/R_{\eta_c}^\text{SM}$ 范围为 1.02 至 1.21。
• 与标准模型值相比，$B_c \to \tau\nu$ 的分支比预测增强 5.5 至 16.1 倍。
• 该模型无法通过树图贡献解释 $R_{K^*}^\text{exp} < R_{K^*}^\text{SM}$，但若引入另一个轻子数子态 $(3,2)_{7/6}$，通过圈图诱导的 $C_9 = -C_{10} < 0$，则可解释该异常，同时保持质子稳定性。