[论文解读] Review of Semileptonic $B$ Anomalies

Bernat Capdevila, Andreas Crivellin+1 more|arXiv (Cornell University)|Sep 4, 2023

Particle physics theoretical and experimental studiesPhysics and Astronomy参考文献 176被引用 3

一句话总结

本文综述了半轻子B衰变中的异常现象，识别出b → sℓ+ℓ−和b → cτν衰变中显著偏离标准模型预测的异常。该文提出通过一种左手矢量流（例如U1轻子胶子或S1+S3标量轻子胶子）统一解释新物理，同时解释R(D∗)、P′5异常和RK，实现6.3σ的全局显著性，且新物理对CU9的贡献占20%。

ABSTRACT

We review the current status and implications of the anomalies (i.e. deviations from the Standard Model predictions) in semi-leptonic $B$ meson decays, both in the charged and in the neutral current. In $b o s\ell^+\ell^-$ transitions significant tensions between measurements and the Standard Model predictions exist. They are most pronounced in the branching ratios ${\cal B}_{B o Kμ^+μ^-}$ and ${\cal B}_{B_s oϕμ^+μ^-}$ (albeit quite dependent on the form factors used) as well as in angular observables in $B o K^*μ^+μ^-$ (the $P_5^\prime$ anomaly). Because the measurements of ${\cal B}_{B_s o μ^+μ^-}$ and of the ratios $R_K$ and $R_{K^*}$ agree reasonably well with the SM predictions, this points towards (dominantly) lepton flavour universal New Physics coupling vectorially to leptons, i.e. contributions to $C_9^{ m U}$. In fact, global fits prefer this scenario over the SM hypothesis by $5.8σ$. Concerning $b o cτν$ transitions, $R(D)$ and $R(D^*)$ suggest constructive New Physics at the level of $10\%$ (w.r.t. the Standard Model amplitude) with a significance above $3σ$. We discuss New Physics explanations of both anomalies separately as well as possible combined explanations. In particular, a left-handed vector current solution to $R(D^{(*)})$, either via the $U_1$ leptoquark or the combination of the scalar leptoquarks $S_1$ and $S_3$, leads to an effect in $C_9^{ m U}$ via an off-shell penguin with the right sign and magnitude and a combined significance (including a tree-level effect resulting in $C_{9μ}^\mathrm{V}=-C_{10μ}^\mathrm{V}$ and $R(D^{(*)})$) of $6.3σ$. Such a scenario can be tested with $b o s τ^+τ^-$ decays. Finally, we point out an interesting possible correlation of $R(D^{(*)})$ with non-leptonic $B$ anomalies.

研究动机与目标

• 评估半轻子B衰变异常现象当前的实验与理论状态。
• 评估新物理解释在b→sℓ+ℓ−和b→cτν异常现象上的全局拟合结果。
• 探索单一新物理框架同时解释多个异常现象的联合解释方案。
• 识别可检验的预测，例如b→sτ+τ−衰变，用于所提出的NP情景。

提出的方法

• 使用弱有效理论（WET）和有效哈密顿量，对半轻子B衰变可观测量进行全局拟合。
• 分析B→K∗μ+μ−、Bs→ϕμ+μ−和B→Kμ+μ−中分支比、角可观测量（如P′5）以及轻子味破坏比值（RK、RK∗）。
• 应用优化的可观测量P′1,2,3,4,5,6,8以减少强子不确定性并增强对短程新物理的敏感性。
• 考虑模型无关的拟合以及具体的新物理模型，包括U1轻子胶子、标量轻子胶子S1和S3，以及Z′玻色子。
• 评估新物理对威尔逊系数C9和C10的贡献，特别是C9μ和C10μ，及其对R(D∗)和R(K∗)的影响。
• 利用未分箱的LHCb分析中数据驱动的粲夸克圈确定方法，验证P′5中对新物理贡献的解释。

实验结果

研究问题

• RQ1 当将b→sℓ+ℓ−和b→cτν异常现象解释为新物理时，其全局显著性如何？
• RQ2 是否存在单一新物理模型可同时解释B→K∗μ+μ−中的R(D∗)异常与P′5异常？
• RQ3 U1轻子胶子或S1+S3标量轻子胶子模型对轻子味破坏与轻子味守恒可观测量有何影响？
• RQ4 Bs−B̄s混合与b→sτ+τ−衰变的约束如何影响可行的新物理情景？
• RQ5 该联合情景对未来测量（如R(B→Kτ+τ−)）的预测能力如何？

主要发现

• 全局拟合显示，与标准模型相比，新物理场景中存在对轻子的矢量耦合（CU9）的偏好，显著性达5.8σ；当包含R(D∗)时，联合显著性达到6.3σ。
• 在B→K∗μ+μ−中，P′5异常在两个区间显示出约2σ的偏离，且得到带电道测量结果的支持。
• 具有U(2)q味对称性的U1轻子胶子模型自然地将R(D∗)与P′5异常联系起来，预测RK = 0.909 ± 0.060，RK∗ = 0.914 ± 0.053。
• 该情景预测b→sτ+τ−的分支比可观测，水平与R(D∗)相当，其衰变率可能在LHCb上被检验。
• 通过S1轻子胶子的解释也可能与新兴的非轻子B衰变异常相关联。
• 未分箱的LHCb分析确认，即使采用数据驱动的粲夸克圈确定方法，仍需与先前拟合中相同大小的新物理对C9的贡献，才能解释P′5。