[论文解读] PSI/UZH Workshop: Impact of $B oμ^+μ^-$ on New Physics Searches

Andreas Crivellin, Margherita Ghezzi+19 more|arXiv (Cornell University)|Mar 27, 2018

Particle physics theoretical and experimental studies参考文献 45被引用 13

一句话总结

本文总结了 PSI/UZH 关于 $B\to\mu^+\mu^-$ 稍后衰变对新物理搜索影响的研讨会，强调了在 $b\to s\mu^+\mu^-$ 和 $b\to c\tau\nu$ 衰变中存在显著的轻子味 universality 破坏实验迹象。主要贡献在于综合现有数据，显示 $R_\mu(K^{(*)})$ 和 $P_5'$ 偏离标准模型，且由于理论清晰性和高实验精度潜力，$B_s\to\mu^+\mu^-$ 成为区分新物理场景的关键探针。

ABSTRACT

In these mini-proceedings we review the results of the workshop `Impact of $B oμ^+μ^-$ on New Physics Searches' that took place at the Paul Scherrer Institute (PSI) on the 18th-19th December 2017.

研究动机与目标

• 评估 $B\to\mu^+\mu^-$ 衰变作为标准模型之外新物理探针的当前实验与理论状态。
• 评估在 $b\to s\mu^+\mu^-$ 和 $b\to c\tau\nu$ 衰变中观测到的偏离的一致性与含义，特别是与轻子味 universality 破坏的关系。
• 探索 $b\to s\mu^+\mu^-$ 观测量、$B\to\tau\tau$ 衰变以及 $\mu\to e$ 轻子味违反等稀有过程之间的联系。
• 评估 $B_s\to\mu^+\mu^-$ 在区分竞争性新物理模型中的作用，作为清晰且高精度的检验手段。

提出的方法

• 使用未分箱的最大似然拟合分析 CMS 和 LHCb 关于 $B_s\to\mu^+\mu^-$ 与 $B_d\to\mu^+\mu^-$ 的实验数据。
• 将测量到的分支比以及 $P_5'$ 和 $R_\mu(K^{(*)})$ 等角观测量与标准模型预测进行比较。
• 利用有效场论和模型无关框架来解释 $b\to s\mu^+\mu^-$ 和 $b\to c\tau\nu$ 衰变中的偏离。
• 评估来自 $\tau\to K_S\pi\nu$ 的 $CP$ 不对称性与中子电偶极矩对张量相互作用的约束。
• 评估未来在 $300\,\mathrm{fb}^{-1}$ 亮度下的前景，预测 $\mathcal{B}(B_s\to\mu^+\mu^-)$ 的精度可达 12%，$\mathcal{B}(B_d\to\mu^+\mu^-)$ 的精度可达 47%。
• 对 $B\to K^*\mu^+\mu^-$ 数据进行交叉分析，提取 $P_5'$ 与 $R_\mu(K)$，以检验与标准模型及新物理模型的一致性。

实验结果

研究问题

• RQ1 当前的 $B\to\mu^+\mu^-$ 测量结果在多大程度上偏离标准模型预测？这些偏离是否具有统计显著性？
• RQ2 观测到的 $R_\mu(K^{(*)})$ 与 $P_5'$ 异常是否可由单一新物理模型解释？$B_s\to\mu^+\mu^-$ 如何帮助区分此类模型？
• RQ3 $B_s\to\mu^+\mu^-$ 在测试新物理场景中轴矢量与矢量耦合方面扮演何种角色？
• RQ4 $b\to c\tau\nu$ 衰变中的异常与 $b\to s\mu^+\mu^-$ 中的异常有何关联？它们是否可能有共同起源？
• RQ5 $\tau\to K_S\pi\nu$ 的 $CP$ 不对称性与 $D$–$\bar{D}$ 混合对张量相互作用作为轻子味 universality 破坏机制施加了何种约束？

主要发现

• CMS 测得 $\mathcal{B}(B_s\to\mu^+\mu^-) = (3.0^{+1.0}_{-0.9})\times 10^{-9}$，背景外显著性达 $4.3\sigma$，证实了在背景仅假设之外的信号存在。
• LHCb 报告 $\mathcal{B}(B_s\to\mu^+\mu^-) = (3.0 \pm 0.6^{+0.3}_{-0.2})\times 10^{-9}$，与标准模型一致，并测得有效寿命为 $2.04 \pm 0.44\,\mathrm{ps}$，在 $1.0\sigma$ 水平下与 $A_{\Delta\Gamma}^{\mu^+\mu^-} = 1$ 一致。
• $B_d\to\mu^+\mu^-$ 的分支比由 LHCb 测得为 $<1.5 \times 10^{-10}$（95% 置信水平），在 $1.6\sigma$ 水平下不支持背景仅假设，尽管仍与标准模型一致。
• LHCb 在 $1\,\mathrm{fb}^{-1}$ 数据集中观测到 $B\to K^*\mu^+\mu^-$ 的 $P_5'$ 偏离达 $3.7\sigma$，在 $3\,\mathrm{fb}^{-1}$ 数据中得到确认，且在大 $K^*$ 反冲的两个相邻区间中均显示 $3\sigma$ 偏离。
• $R_\mu(K)$ 比值以更高精度测量，显示出与标准模型预测的偏离，$R_\mu(K^*)$ 同样表现出与轻子味 universality 破坏一致的异常。
• $B_s\to\tau^+\tau^-$ 的分支比在 $B_s$ 主导假设下被限制为 $<5.2\times 10^{-3}$（90% 置信水平），而 $B_d\to\tau^+\tau^-$ 在 $B_d$ 主导假设下被限制为 $<1.6\times 10^{-3}$（90% 置信水平）。