[论文解读] More Indications for Lepton Nonuniversality in $b o s \ell^+ \ell^-$

Tobias Hurth, F. Mahmoudi+2 more|arXiv (Cornell University)|Apr 20, 2021

Particle physics theoretical and experimental studies参考文献 21被引用 13

一句话总结

本文使用更新的LHCb数据，对 $b \to s\ell^+\ell^-$ 破坏轻子味 universality 的过程进行了模型无关分析，确认了 $R_K$ 处于 $3.1\sigma$ 的张力。预计Run 3数据将很可能在单一可观测量中证实非 universality，并通过20个有效场论参数的全局拟合与威尔克斯检验识别出新物理模式。

ABSTRACT

Recently the LHCb collaboration has confirmed the evidence for lepton flavour nonuniversality at the $3.1σ$ level via an updated measurement of $R_K$. In this work we analyse this evidence within a model-independent approach. We make projections for future measurements which indicate that LHCb will be in the position to discover lepton nonuniversality with the Run 3 data in a single observable. We analyse other ratios based on our analysis of the present measurements of the ratios $R_{K^{(*)}}$ and analyse if they are able to differentiate between various new physics options within the effective field theory at present or in the near future. We also compare the present deviations in the ratios with NP indications in the angular observables of exclusive $b o s \ell\ell$ transitions. Finally, we update our global analysis considering all $b o s \ell\ell$ observables altogether, including a 20-parameter fit in connection of a Wilks' test.

研究动机与目标

• 使用最新的LHCb测量结果评估 $b\to s\ell^+\ell^-$ 衰变中轻子非 universality 的显著性。
• 利用 $R_K$ 和 $\text{BR}(B_s\to\mu^+\mu^-)$ 等清洁可观测量，预测Run 3数据中轻子非 universality 的发现潜力。
• 通过角观测量之比与 $R_{K^{(*))}}$ 测量结果区分不同新物理模型。
• 对20个有效场论参数进行全局拟合，并应用威尔克斯检验评估新物理的统计显著性。
• 将轻子味 universality 破坏比值的偏差与角观测量进行比较，以检验其与新物理的一致性。

提出的方法

• 采用模型无关的有效场论框架分析 $b\to s\ell^+\ell^-$ 衰变，重点关注 $R_K$、$R_{K^*}$ 和 $\text{BR}(B_s\to\mu^+\mu^-)$。
• 对 $b\to s\ell^+\ell^-$ 观测量实施20参数全局拟合，整合来自LHCb、ATLAS和CMS的实验数据。
• 采用威尔克斯检验评估新物理超越标准模型的显著性。
• 基于18 fb$^{-1}$ 和 50 fb$^{-1}$ 的亮度情景，预测未来对 $R_K$ 和角观测量比值的灵敏度。
• 在不同新物理情景下，比较 $R_{P_1}$、$R_{P_2}$、$R_{P_4}$、$R_{P_5}$ 和 $D_{F_L}$、$D_{A_{FB}}$ 等比值在68%置信水平下的预测。
• 将LHCb、ATLAS和CMS对 $\text{BR}(B_s\to\mu^+\mu^-)$ 的实验似然合并为联合二维似然。

实验结果

研究问题

• RQ1 更新的LHCb数据在 $R_K$ 和 $\text{BR}(B_s\to\mu^+\mu^-)$ 上能否在 $3\sigma$ 或以上显著性水平下确认轻子非 universality？
• RQ2 LHCb的Run 3数据是否足以在单一可观测量中发现轻子非 universality？
• RQ3 在 $R_{K^{(*)}}$ 中观测到的偏差与在 $B\to K^*\ell^+\ell^-$ 专属衰变中角观测量的偏差相比如何？
• RQ4 哪些新物理模型最符合当前数据，经由全局拟合与威尔克斯检验约束？
• RQ5 角观测量比值（如 $R_{P_1}$、$R_{P_2}$、$R_{P_4}$、$R_{P_5}$）在未来能否帮助区分不同新物理情景？

主要发现

• 在 $[1.1,6.0]$ GeV$^2$ 能区，LHCb对 $R_K$ 的更新测量结果为 $R_K^{\text{LHCb}} = 0.846^{+0.042+0.013}_{-0.039-0.012}$，与标准模型相比确认了 $3.1\sigma$ 的张力。
• 对 $\text{BR}(B_s\to\mu^+\mu^-)$ 的联合实验测量结果为 $(2.85_{-0.31}^{+0.34})\times10^{-9}$，与LHCb的更新结果及其他实验一致。
• 与以往分析相比，20个有效场论参数的全局拟合显示，新物理在 $R_K$ 和 $R_{K^*}$ 中的显著性有所提高。
• 未来在18 fb$^{-1}$ 和 50 fb$^{-1}$ 亮度情景下的预测表明，$R_{P_1}$、$R_{P_2}$、$R_{P_4}$、$R_{P_5}$ 比值对新物理敏感，其中在 $C_9^\mu$ 主导的新物理下，$R_{P_5}^{[1.1,6.0]}$ 可达 $[0.437,0.528]$。
• 威尔克斯检验确认，包含新物理的全局拟合在高置信水平下显著优于标准模型。
• 分析表明，$R_K$ 与 $\text{BR}(B_s\to\mu^+\mu^-)$ 相互一致，且与其他 $b\to s\ell^+\ell^-$ 数据一致，支持其具有共同的新物理起源。