[论文解读] Modified lepton couplings and the Cabibbo-angle anomaly

Antônio Coutinho, Andreas Crivellin+1 more|arXiv (Cornell University)|Sep 8, 2020

Particle physics theoretical and experimental studies参考文献 27被引用 4

一句话总结

该论文提出，Cabibbo角异常——即不同过程测得的$V_{us}$值之间的差异——源于中微子与规范 boson 相互作用中的轻子味 universality 破坏（LFUV）。通过一种模型无关的贝叶斯全局拟合，研究发现电子和μ子中微子耦合存在非零修正的强烈证据（>99.99% 置信水平，>4σ），要求在μ子通道中存在 constructive 干涉，且排除了简单右手中微子模型的可能性。

ABSTRACT

Significant discrepancies between the different determinations of the Cabibbo angle have been observed. Here, we point out that this "Cabibbo-angle anomaly" can be explained by lepton flavour universality (LFU) violating New Physics (NP) in the neutrino sector. However, modified neutrino couplings to Standard Model gauge bosons also affect many other observables sensitive to LFU violation, which have to be taken into account in order to assess the viability of this explanation. Therefore, we perform a model-independent Bayesian global analysis and find that non-zero modifications of electron and muon neutrino couplings are preferred at more than $99.99\%\,{ m C.L.}$ (corresponding to more than $4\,σ$). Our results show that constructive effects in the muon sector are necessary, meaning simple models with right-handed neutrinos are discarded and more sophisticated NP models required.

研究动机与目标

• 为解决$V_{us}$在不同过程中的测定值之间长期存在的张力，即Cabibbo角异常。
• 探究中微子扇区中的轻子味 universality 破坏（LFUV）是否可解释该异常。
• 评估中微子与$W$和$Z$玻色子耦合被修改的模型作为新物理解释的可行性。
• 执行一个全局拟合，整合精确电弱、LFU检验和$V_{us}$测定可观测量。
• 确定如右手中微子等简单模型是否与数据兼容。

提出的方法

• 采用维度-6的有效场论（EFT）方法，通过单一算符建模中微子与$W$和$Z$玻色子的耦合修正。
• 通过修正耦合参数化威尔逊系数效应：$W\ell\nu \sim (\delta_{ij} + \frac{1}{2}\varepsilon_{ij})$ 和 $Z\nu\nu \sim (\delta_{ij} + \varepsilon_{ij})$。
• 使用HEPfit软件包进行贝叶斯全局拟合，纳入$G_F$、$\alpha$、$M_Z$、$m_t$、$m_H$、$V_{us}^\mathcal{L}$ 和 $\varepsilon_{ii}$，并施加适当的先验分布。
• 包含精确电弱可观测量（LEP、Tevatron、LHC）、LFU比值（W衰变、$K/\pi/\tau$衰变）以及来自$K_{\mu3}$、$K/\pi$、$\tau$和纯对称$\beta$衰变的$V_{us}$测定值。
• 通过$G_F$的修正间接影响：$G_F = G_F^\mathcal{L}(1 + \frac{1}{2}\varepsilon_{ee} + \frac{1}{2}\varepsilon_{\mu\mu})$。
• 使用信息准则（IC）比较标准模型（SM）与新物理（NP）模型，IC值越低表示预测准确性和拟合优度越高。

实验结果

研究问题

• RQ1 中微子耦合中的轻子味 universality 破坏能否解释Cabibbo角异常？
• RQ2 从精确电弱和LFU破坏可观测量的全局拟合中，对修正中微子耦合的约束是什么？
• RQ3 标准模型是否与当前数据一致，还是在中微子扇区中存在强烈的新物理证据？
• RQ4 在全局拟合的约束下，包含右手中微子的简单模型是否仍然可行？
• RQ5 为了解决该异常，$\varepsilon_{ee}$ 和 $\varepsilon_{\mu\mu}$ 之间需要怎样的相互作用关系？

主要发现

• 电子和μ子中微子耦合的非零修正在超过99.99%的可信水平下被偏好，对应于超过4σ的显著性。
• $\varepsilon_{ee}$ 和 $\varepsilon_{\mu\mu}$ 参数表现出符号相反的负相关性，表明在μ子通道中存在 constructive 干涉。
• 标准模型被强烈排除：$\text{IC}_{\rm SM} \simeq 93$ 对比 $\text{IC}_{\rm NP} \simeq 76$，表明存在“非常强”的新物理证据。
• 由于要求破坏性干涉，简单右手中微子模型被排除，与数据不一致。
• 该异常最显著地受到纯对称$\beta$衰变和$K_{\mu3}$衰变中修正的影响，其中 $V_{us}^{K_{\mu3}} \simeq |V_{us}^\mathcal{L}|(1 - \frac{1}{2}\varepsilon_{ee})$ 且 $V_{us}^{\beta} \simeq \sqrt{1 - |V_{ud}^\mathcal{L}|^2(1 - \frac{1}{2}\varepsilon_{\mu\mu})^2}$。
• 全局拟合表明，在新物理假设下$V_{us}$的后验分布与各输入一致，最大修正出现在由于$G_F$修正而引起的纯对称$\beta$衰变中。