[论文解读] $R_{J/\psi}$ confronts $R_D$ and $R_{D^*}$

Ashutosh Kumar Alok, Dinesh Kumar+3 more|arXiv (Cornell University)|Oct 11, 2017

Particle physics theoretical and experimental studies参考文献 65被引用 12

一句话总结

本文研究了新物理解，以解释 $R_D$ 和 $R_{D^*}$ 中的异常现象，发现当受到新测量的 $R_{J/\bar{\psi}}$ 约束时，仅有一小部分解能够存活，所有存活的解均预测 $R_{J/\psi} \leq 0.36$。轻子衰变 $B_c \to \mu\bar{\mu}$ 排除了三分之一的解，包括所有新解，这表明未来对 $R_{J/\psi}$ 的测量值可能更低。

ABSTRACT

We do a systematic search of the new physics couplings with different four-Fermi Lorentz structures which can explain the excess in $R_D$ and $R_{D^*}$. We find a few more allowed solutions, compared to the previous analyses, because of the measured values of these parameters have shifted recently. All these solutions are still allowed when we include the newly measured $R_{J/\psi}$ in our fitting procedure. However, a third of these solutions, including all the new solutions, are ruled out by the leptonic branching ratio of $B_c$ meson. Every one of the surviving solutions predicts $R_{J/\psi}\leq 0.36$. In view of this, we expect future measurements of $R_{J/\psi}$ to have a smaller central value. We also find that the need for new physics is driven by the data from those experiments where the $ au$ lepton is not reconstructed. New physics in $b ightarrow c\,\mu\,\bar{ u}$ is not compatible with the full set of observables in the decays $B ightarrow Dl\bar{ u}$ and $B ightarrow D^*l\bar{ u}$. The expected measurements of $ au$ polarization and $D^*$ polarization can distinguish only tensor new physics but none of the others.

研究动机与目标

• 系统探索具有不同四费米子洛伦兹结构的新物理耦合，以解释在 $R_D$ 和 $R_{D^*}$ 中观测到的过剩现象。
• 在新近测量的 $R_{J/\psi}$ 值基础上，重新评估这些解的可行性。
• 检验这些解与 $B_c$ 介子轻子分支比的相容性。
• 在全局拟合中纳入所有当前可观测量后，确定哪些新物理模型仍然可行。
• 基于存活的模型预测 $R_{J/\psi}$ 的预期行为，并为未来的实验测量提供指导。

提出的方法

• 对具有不同洛伦兹结构（标量、矢量、张量等）的四费米子相互作用进行系统扫描，以解释 $R_D$ 和 $R_{D^*}$ 异常。
• 利用最新的实验测量值 $R_D$、$R_{D^*}$ 和 $R_{J/\psi}$ 对参数空间进行约束。
• 利用 $B_c \to \mu\bar{\mu}$ 的轻子衰变速率作为严格约束，以排除某些新物理模型。
• 通过包含 $B \to D\ell\bar{\nu}$ 和 $B \to D^*\ell\bar{\nu}$ 衰变的可观测量进行全局拟合，以检验一致性。
• 分析极化可观测量——$\tau$ 和 $D^*$——以区分张量型与其他类型的新物理。
• 从存活的模型中推导出 $R_{J/\psi}$ 的理论预测，以指导未来的实验搜索。

实验结果

研究问题

• RQ1 哪些具有不同四费米子洛伦兹结构的新物理耦合能够同时解释 $R_D$ 和 $R_{D^*}$ 异常？
• RQ2 最近测量的 $R_{J/\psi}$ 值如何影响这些新物理解的可行性？
• RQ3 $B_c$ 介子的轻子衰变在多大程度上限制了允许的新物理参数空间？
• RQ4 当所有数据都包含在内时，新物理是否能够一致地解释 $B \to D\ell\bar{\nu}$ 和 $B \to D^*\ell\bar{\nu}$ 的全部可观测量？
• RQ5 哪些极化可观测量可用于区分张量型新物理与其他类型？

主要发现

• 由于实验值的更新，出现了少数新的 $R_D$ 和 $R_{D^*}$ 异常解，但许多解被 $B_c \to \mu\bar{\mu}$ 衰变速率所排除。
• 三分之一的解，包括所有新解，被 $B_c$ 轻子分支比所排除，仅剩一小部分解可行。
• 所有存活的新物理模型均预测 $R_{J/\psi} \leq 0.36$，表明对这一比值未来测量的强约束。
• 新物理的必要性主要源于 $\tau$ 轻子未被重建的实验，表明对末态动量分布的敏感性。
• 当所有数据都包含在内时，$b \to c\mu\bar{\nu}$ 衰变中的新物理与 $B \to D\ell\bar{\nu}$ 和 $B \to D^*\ell\bar{\nu}$ 的全部可观测量不相容。
• 只有通过未来对 $\tau$ 和 $D^*$ 极化的测量，才能将张量型新物理与其他类型区分开来。