[论文解读] Probing new physics in class-I $B$-meson decays into heavy-light final states

Fang-Min Cai, Weijun Deng+2 more|arXiv (Cornell University)|Mar 6, 2021

Particle physics theoretical and experimental studies参考文献 129被引用 36

一句话总结

本文研究了类-I B-介子衰变中的异常现象，具体为 $\bar{B}^0 \to D^+ K^-$ 和 $\bar{B}_s^0 \to D_s^{+} \pi^-$，其中实验测量的分支比与标准模型预测值存在 4–5σ 的偏差。通过量子色动力学因子化方法，发现具有 $\gamma^\mu(1 - \gamma^5) \otimes \gamma^\mu(1 - \gamma^5)$ 结构的四费米子算符形式的新物理可在 1σ 水平上解释这些偏差，而其他狄拉克结构即使在 2σ 水平下也无法提供一致解释。

ABSTRACT

With updated experimental data and improved theoretical calculations, several significant deviations are being observed between the Standard Model predictions and the experimental measurements of the branching ratios of $\bar{B}_{(s)}^0 o D_{(s)}^{(*)+} L^-$ decays, where $L$ is a light meson from the set $\{\pi, ho,K^{(\ast)}\}$. Especially for the two channels $\bar{B}^0 o D^{+}K^-$ and $\bar{B}_{s}^0 o D_{s}^{+}\pi^-$, both of which are free of the weak annihilation contribution, the deviations observed can even reach 4-5$\sigma$. Here we exploit possible new-physics effects in these class-I non-leptonic $B$-meson decays within the framework of QCD factorization. Firstly, we perform a model-independent analysis of the effects from twenty linearly independent four-quark operators that can contribute, either directly or through operator mixing, to the quark-level $b o c\bar{u} d(s)$ transitions. It is found that, under the combined constraints from the current experimental data, the deviations observed could be well explained at the $1\sigma$ level by the new-physics four-quark operators with $\gamma^{\mu}(1-\gamma_5)\otimes\gamma_{\mu} (1-\gamma_5)$ structure, and also at the $2\sigma$ level by the operators with $(1+\gamma_5)\otimes(1-\gamma_5)$ and $(1+\gamma_5)\otimes(1+\gamma_5)$ structures. However, the new-physics four-quark operators with other Dirac structures fail to provide a consistent interpretation, even at the $2\sigma$ level. Then, as two specific examples of model-dependent considerations, we discuss the case where the new-physics four-quark operators are generated by either a colorless charged gauge boson or a colorless charged scalar, with their masses fixed both at the $1$~TeV. Constraints on the effective coefficients describing the couplings of these mediators to the relevant quarks are obtained by fitting to the current experimental data.

研究动机与目标

• 本文旨在解释标准模型预测与类-I 非轻子 B-介子衰变分支比实验测量之间显著的偏差。
• 研究聚焦于两个干净的衰变道 $\bar{B}^0 \to D^+K^-$ 和 $\bar{B}_s^0 \to D_s^+\pi^-$，它们不受弱湮灭贡献影响，且分支比存在 4–5σ 的差异。
• 目标是确定这些异常是否可通过在 QCD 因子化框架下通过四费米子算符实现的新物理进行一致解释。
• 此外，还探讨了通过一种无色带电规范玻色子和一种无色带电标量实现这种新物理的具体模型实现，质量均为 1 TeV。

提出的方法

• 本研究采用量子色动力学因子化（QCDF）方法计算衰变振幅，将短距离硬相互作用与长距离强子矩阵元分离。
• 对 20 个线性独立的四费米子算符进行了模型无关分析，这些算符贡献于 $b \to c\bar{u}d(s)$ 衰变过程，包括其在重整化群下的混合行为。
• 强子矩阵元通过 B(s) → D(∗)(s) 衰变过渡形式因子以及末态轻介子的轻锥分布振幅进行计算。
• 在硬核函数 $T_{ij}(u)$ 中包含了 $\alpha_s$ 的下一阶修正（NLO），以确保振幅计算的高精度。
• 在模型依赖性分析中，考虑了两种特定媒介：一种质量为 1 TeV 的无色带电规范玻色子和一种质量为 1 TeV 的无色带电标量。
• 这些媒介与夸克的耦合通过拟合当前实验数据中分支比和比率 $R^{(*)}_{L}$ 的结果进行约束。

实验结果

研究问题

• RQ1 观测到的 $\bar{B}^0 \to D^+K^-$ 和 $\bar{B}_s^0 \to D_s^+\pi^-$ 分支比中 4–5σ 的偏差是否可通过四费米子算符中的新物理解释？
• RQ2 哪些四费米子算符的狄拉克结构与当前实验数据在 1σ 或 2σ 水平下一致？
• RQ3 新物理贡献是否可通过如 1 TeV 质量的无色带电规范玻色子或标量等特定媒介实现？
• RQ4 在综合实验约束下，这些新物理算符的有效威尔逊系数的允许范围是什么？
• RQ5 如 $R_\pi$、$R_\rho$、$R_K$ 等比率的预测如何约束新物理的参数空间？

主要发现

• 具有 $\gamma^\mu(1 - \gamma^5) \otimes \gamma^\mu(1 - \gamma^5)$ 结构的新物理四费米子算符可在 1σ 置信水平上解释观测到的偏差。
• 具有 $(1 + \gamma^5) \otimes (1 - \gamma^5)$ 和 $(1 + \gamma^5) \otimes (1 + \gamma^5)$ 结构的算符在 2σ 水平下一致。
• 所有其他狄拉克结构即使在 2σ 水平下也无法提供一致解释。
• 对于质量为 1 TeV 的无色带电规范玻色子，有效耦合系数 $C_{LL}^{(1)}(m_b)$ 的允许范围在 1σ 水平为 $[-2.65, -0.849]$，在 2σ 水平为 $[-4.06, -0.209]$。
• 对于质量为 1 TeV 的无色带电标量，$C_{LL}^{(1)}(m_b)$ 的允许范围在 1σ 水平为 $[-2.54, -0.759]$，在 2σ 水平为 $[-3.69, -0.191]$。
• 所有十个比率 $R^{(*)}_{(s)L}$ 的联合约束给出了最紧的限制，其中 $C_{LL}^{(1)}(m_b)$ 在 1σ 水平被限制在 $[-2.65, -0.849]$，在 2σ 水平为 $[-4.06, -0.209]$。