[论文解读] Palatable Leptoquark Scenarios for Lepton Flavor Violation in Exclusive $b o s\ell_1\ell_2$ modes

Damir Bečirević, Nejc Košnik+2 more|arXiv (Cornell University)|Aug 26, 2016

Particle physics theoretical and experimental studies被引用 4

一句话总结

本文研究了能够解释 $B$-介子衰变中异常现象（特别是 $R_K$ 和 $B_s\to\mu\mu$ 破坏）的轻子球子模型，通过分析独态 $b\to s\ell_1\ell_2$ 衰变，识别出两种可行的场景——标量轻子球子处于 $(3,2)_{1/6}$ 双态，以及矢量轻子球子处于 $(3,3)_{2/3}$ 三重态，同时排除了 $(3,1)_{-1/3}$ 单重态。该研究预测了 $B_s\to\mu\tau$、$B\to K\mu\tau$ 和 $B\to K^*\mu\tau$ 的分支比可达 $\mathcal{O}(10^{-5})$，为未来实验提供了可检验的信号。

ABSTRACT

We examine various scenarios that involve a light ${\cal O}(1 TeV)$ leptoquark state and select those which are compatible with the current experimental values for $\mathcal{B}(B_s o μμ)$, $\mathcal{B}(B o Kμμ)_{\mathrm{large}-q^2}$, $R_K=\mathcal{B^\prime}(B o Kμμ)/\mathcal{B^\prime}(B o Kee)$, and which lead to predictions consistent with other experimental data. We show that two such scenarios are phenomenologically plausible, namely the one with a doublet of scalar leptoquarks of hypercharge $1/6$, and the one with a triplet of vector leptoquarks of hypercharge $2/3$. We also argue that a model with a singlet scalar leptoquark of hypercharge $1/3$ is not viable. Using the present experimental data as constraints, it is shown that the exclusive lepton flavor violating decays, $\mathcal{B}(B_s o μτ)$, $\mathcal{B}(B o K μτ)$ and $\mathcal{B}(B o K^\ast μτ)$, can be as large as $\mathcal{O}(10^{-5})$.

研究动机与目标

• 识别与当前实验数据一致的轻子球子模型，包括 $B_s\to\mu\mu$、$B\to K\mu\mu$ 在高 $q^2$ 区域，以及 $R_K$ 的测量结果。
• 评估不同表示形式的轻子球子（标量与矢量，具有不同的规范量子数）在轻子味破坏背景下的可行性。
• 预测涉及 $\mu\tau$ 最终态的独态 $b\to s\ell_1\ell_2$ 衰变的可观测率，这些过程目前受到的限制较少。
• 评估标量轻子球子模型与 $R_K$ 异常及 $B_s\to\mu\mu$ 约束的兼容性，特别关注超荷和表示结构。

提出的方法

• 构建由标量和矢量轻子球子介导的 $b\to s\ell_1\ell_2$ 转换的有效场论算符，使用规范量子数和表示形式。
• 应用有效拉格朗日量方法，计算各种轻子球子态（包括 $(3,2)_{1/6}$、$(3,2)_{7/6}$、$(3,1)_{-1/3}$、$(3,1)_{2/3}$ 和 $(3,3)_{2/3}$）的威尔逊系数 $C_i^{\ell_1\ell_2}(\mu)$。
• 利用格点 QCD 形因子计算 $B\to K$、$B\to K^*$ 和 $B\to D$ 转换的独态衰变速率，完整包含强子矩阵元。
• 对轻子球子耦合进行全局拟合，以匹配实验数据：$\mathcal{B}(B_s\to\mu\mu)$、$\mathcal{B}(B\to K\mu\mu)_{\text{high-}q^2}$ 和 $R_K$。
• 利用完整的 $C_9, C_{10}, C_7$ 等系数，推导 $B_{s}\to\ell_1\ell_2$ 和 $B\to K^{(*)}\ell_1\ell_2$ 的角分布与螺旋度振幅。
• 评估强子不确定性和形式因子输入的影响，使用来自参考文献 [42]、[43]、[48]、[61] 的最新格点结果。

实验结果

研究问题

• RQ1 哪些轻子球子表示形式与当前实验对 $\mathcal{B}(B_s\to\mu\mu)$、$\mathcal{B}(B\to K\mu\mu)_{\text{high-}q^2}$ 和 $R_K$ 的限制一致？
• RQ2 标量轻子球子在 $(3,1)_{-1/3}$ 表示形式下，能否解释 $R_K$ 异常，同时与 $B_s\to\mu\mu$ 和 $B\to K\mu\mu$ 数据兼容？
• RQ3 在可行的轻子球子模型中，$B_s\to\mu\tau$、$B\to K\mu\tau$ 和 $B\to K^*\mu\tau$ 衰变的预测分支比是多少？
• RQ4 在 $B\to K^{(*)}\ell_1\ell_2$ 衰变中，角分布与螺旋度振幅如何依赖于轻子球子的量子数和耦合常数？
• RQ5 强子形式因子在约束轻子味破坏型 $b\to s\ell_1\ell_2$ 衰变信号强度方面起到什么作用？

主要发现

• $(3,2)_{1/6}$ 标量轻子球子双态是一种现象学上可行的场景，能够解释 $R_K$ 异常，并满足 $B_s\to\mu\mu$ 和 $B\to K\mu\mu$ 的约束。
• $(3,3)_{2/3}$ 矢量轻子球子三重态同样可行，并对 $B\to K\mu\mu$ 和 $R_K$ 有显著贡献，与实验数据一致。
• $(3,1)_{-1/3}$ 标量轻子球子单重态因与 $B_s\to\mu\mu$ 分支比和 $R_K$ 测量结果冲突而被排除。
• 在可行的 $(3,2)_{1/6}$ 和 $(3,3)_{2/3}$ 模型中，$B_s\to\mu\tau$ 的分支比可达到 $\mathcal{O}(10^{-5})$。
• $B\to K\mu\tau$ 和 $B\to K^*\mu\tau$ 的分支比也预测为 $\mathcal{O}(10^{-5}$ 量级，使其成为未来 LHCb 和 Belle II 实验的有希望探测目标。
• 研究表明，由于强子末态的增强效应，$B\to K^{(*)}\ell_1\ell_2$ 衰变对轻子球子模型的探测灵敏度高于纯轻子味破坏衰变。