[论文解读] Probing the $R_{K^{(*)}}$ Anomaly at a Muon Collider

Guoyuan Huang, Sudip Jana+2 more|arXiv (Cornell University)|Mar 2, 2021

Particle physics theoretical and experimental studies参考文献 87被引用 4

一句话总结

本文提出利用高能μ子对撞机通过$\mu^+\mu^- \to b\bar{s}$过程探测$B$物理中的$R_{K^{(*)}}$异常，检验$Z^\prime$玻色子和轻子偶素模型。在$\sqrt{s} = 6$ TeV和$4\ \text{ab}^{-1}$亮度下，该装置可覆盖全局拟合$R_{K^{(*)}}$数据所青睐的完整$2\sigma$参数空间，包括$ s $-通道$Z^\prime$和$ t $-通道轻子偶素情景。

ABSTRACT

The LHCb measurements of the $\ensuremath{\mu}/e$ ratio in $B\ensuremath{ ightarrow}K\ensuremath{\ell}\ensuremath{\ell}$ decays $({R}_{K})$ indicate a deficit with respect to the Standard Model prediction, supporting earlier hints of lepton universality violation observed in the ${R}_{{K}^{(*)}}$ ratio. Possible explanations of these $B$-physics anomalies include heavy ${Z}^{\ensuremath{'}}$ bosons or scalar and vector leptoquarks mediating $b\ensuremath{ ightarrow}s{\ensuremath{\mu}}^{+}{\ensuremath{\mu}}^{\ensuremath{-}}$. We note that a muon collider can directly measure this process via ${\ensuremath{\mu}}^{+}{\ensuremath{\mu}}^{\ensuremath{-}}\ensuremath{ ightarrow}b\overline{s}$ and can shed light on the lepton nonuniversality scenario. Investigating currently discussed center-of-mass energies $\sqrt{s}=3$, 6 and 10 TeV, we show that the parameter space of ${Z}^{\ensuremath{'}}$ and leptoquark solutions to the ${R}_{{K}^{(*)}}$ anomalies can be mostly covered. Effective operators explaining the anomalies can be probed with the muon collider setup $\sqrt{s}=6 ext{ } ext{ }\mathrm{TeV}$ and integrated luminosity $L=4 ext{ } ext{ }{\mathrm{ab}}^{\ensuremath{-}1}$.

研究动机与目标

• 通过未来μ子对撞机检验$R_{K^{(*)}}$异常——即$b \to s \mu^+ \mu^-$跃迁中轻子普适性破坏的迹象。
• 评估μ子对撞机实验对$Z^\prime$玻色子和标量/矢量轻子偶素作为$R_{K^{(*)}}$异常解决方案的敏感度。
• 确定$\mu^+\mu^- \to b\bar{s}$过程是否能探测到该异常背后的有效算符结构。
• 评估事例重建中味标签和二胶子SM背景对不同质心系能量下信号探测的影响。
• 确定覆盖全局$B$物理拟合中$2\sigma$青睐参数空间所需的对撞机能量和亮度。

提出的方法

• 通过$Z^\prime$玻色子（$s$-通道）和标量/矢量轻子偶素（$t$-通道）建模$R_{K^{(*)}}$异常，使用描述$b\bar{s}\mu^+\mu^-$耦合的有效拉格朗日量。
• 在$\sqrt{s} = 3$、6和10 TeV下计算$\mu^+\mu^- \to b\bar{s}$截面，包括$ t $-通道和$ s $-通道贡献。
• 通过比较轻子偶素信号与SM二胶子背景（有无味标签）评估信背比。
• 使用有效场论描述高质质量轻子偶素（$M_{S_3} = 30$ TeV）作为积分出的粒子，导出具有系数$C_9^\mu$和$C_{10}^\mu$的有效算符。
• 在假设$L = 4\ \text{ab}^{-1} \cdot [\sqrt{s}/(6\ \text{TeV})]^2$的条件下，对$|C_9^\mu|^2 + |C_{10}^\mu|^2$进行$3\sigma$敏感度分析。
• 将结果与现有LHC限制及高亮度LHC（HL-LHC）对高能双μ子尾部的预测进行比较。

实验结果

研究问题

• RQ1 在$\sqrt{s} = 6$ TeV和$L = 4\ \text{ab}^{-1}$下，μ子对撞机能否探测到解释$R_{K^{(*)}}$异常的$Z^\prime$和轻子偶素模型的完整$2\sigma$参数空间？
• RQ2 味标签对超越SM二胶子背景的$\mu^+\mu^- \to b\bar{s}$敏感度有何影响？
• RQ3 与$ s $-通道$Z^\prime$贡献相比，$ t $-通道轻子偶素交换在多大程度上增强截面？
• RQ4 μ子对撞机对$b\to s\mu^+\mu^-$跃迁中有效算符$C_9^\mu$和$C_{10}^\mu$的敏感度如何？
• RQ5 与现有LHC约束及未来HL-LHC对$bs\mu\mu$耦合的预测相比，本研究结果如何？

主要发现

• 在$\sqrt{s} = 6$ TeV和$L = 4\ \text{ab}^{-1}$下，μ子对撞机可探测到全局$B$物理拟合所青睐的完整$2\sigma$区域，其中$C_9^\mu = -C_{10}^\mu \in [0.29, 0.57]$。
• 最佳拟合点$C_9^\mu = -C_{10}^\mu = -0.43$无需味标签即可达到，且在$\sqrt{s} \gtrsim 6$ TeV下，通过味标签可覆盖整个$2\sigma$范围。
• 对于矢量轻子偶素，低$Q^2$下的$ t $-通道增强可提高小质量下的敏感度，而标量轻子偶素因手征性反转而缺乏此类增强。
• 当轻子偶素质量为$M_{S_3} = 30$ TeV时，信背比趋于恒定，表明其发生解耦并主导有效算符行为。
• $\sqrt{s} = 6$ TeV下的$\mu^+\mu^- \to b\bar{s}$过程可高统计显著性地探测解释$R_{K^{(*)}}$异常的$Z^\prime$和轻子偶素模型。
• 在$\sqrt{s} = 6$ TeV和$L = 4\ \text{ab}^{-1}$的设置下，该方案在相关能量范围内优于现有LHC限制和HL-LHC对$bs\mu\mu$耦合的预测。