[论文解读] Scrutinizing $\bar B o D^*(D \pi) \ell^- \bar u_\ell$ and $\bar B o D^*(D \gamma) \ell^- \bar u_\ell$ in search of new physics footprints

Pietro Colangelo, Fulvia De Fazio|arXiv (Cornell University)|Jan 31, 2018

Particle physics theoretical and experimental studies参考文献 44被引用 10

一句话总结

本文研究了半轻子B衰变中的角分布，特别是 $\bar{B} \to D^*(D\pi)\ell^-\bar{\nu}_\ell$ 和 $\bar{B} \to D^*(D\gamma)\ell^-\bar{\nu}_\ell$，以探究强子形式因子参数化的影响力，并通过轻子味 universality (LFU) 破坏探测新物理 (NP)。结果表明，角系数能够区分不同的形式因子参数化方式，并对新物理敏感，尤其是有效哈密顿量中的张量算符，从而为检验标准模型之外的LFU提供了新可观测量。

ABSTRACT

Besides being important to determine Standard Model parameters such as the CKM matrix elements $|V_{cb}|$ and $|V_{ub}|$, semileptonic $B$ decays seem also promising to reveal new physics (NP) phenomena, in particular in connection with the possibility of uncovering lepton flavour universality (LFU) violating effects. In this view, it could be natural to connect the tensions in the inclusive versus exclusive determinations of $|V_{cb}|$ to the anomalies in the ratios $R(D^{(*)})$ of decay rates into $ au$ vs $\mu, e$. However, the question has been raised about the role of the parametrization of the hadronic $B o D^{(*)}$ form factors in exclusive $B$ decay modes. We focus on the fully differential angular distributions of $\bar B o D^* \ell^-{\bar u}_\ell$ with $D^* o D \pi$ or $D^* o D \gamma$, the latter mode being important in the case of $B_s o D_s^*$ decays. We show that the angular coefficients in the distributions can be used to scrutinize the role of the form factor parametrization and to pin down deviations from SM. As an example of a NP scenario, we include a tensor operator in the $b o c$ semileptonic effective Hamiltonian, and discuss how the angular coefficients allow to construct observables sensitive to this structure, also defining ratios useful to test LFU.

研究动机与目标

• 评估强子形式因子参数化在独显B衰变中的作用，特别是与 $|V_{cb}|$ 的包含-排除张力相关的问题。
• 研究 $\bar{B} \to D^*(D\pi)\ell^-\bar{\nu}_\ell$ 和 $\bar{B} \to D^*(D\gamma)\ell^-\bar{\nu}_\ell$ 的角分布是否有助于解决形式因子建模中的模糊性。
• 探索角系数对新物理的敏感性，特别是 $b \to c$ 半轻子有效哈密顿量中的张量流。
• 从角系数构建新可观测量，以检验半轻子B衰变中的轻子味 universality。

提出的方法

• 推导 $\bar{B} \to D^*(D\pi)\ell^-\bar{\nu}_\ell$ 和 $\bar{B} \to D^*(D\gamma)\ell^-\bar{\nu}_\ell$ 的完全微分衰变率，以角系数函数表示。
• 使用 Caprini-Lellouch-Neubert (CLN) 和 Boyd-Grinstein-Lebed (BGL) 形式因子参数化表达角分布。
• 在有效哈密顿量中引入张量算符以建模新物理，其耦合具有轻子味依赖性。
• 在新物理情景下计算修正后的角系数，并定义比值以检验轻子味 universality。
• 提出对张量流和标准模型偏离敏感的特定可观测量。
• 使用 $D^* \to D\gamma$ 衰变模式作为 $B_s \to D_s^*\ell\bar{\nu}_\ell$ 衰变的探针，与 $B_s$ 衰变相关。

实验结果

研究问题

• RQ1 在 $\bar{B} \to D^*(D\pi)\ell^-\bar{\nu}_\ell$ 和 $\bar{B} \to D^*(D\gamma)\ell^-\bar{\nu}_\ell$ 中，角分布能否区分 CLN 和 BGL 等不同形式因子参数化？
• RQ2 在有效哈密顿量中引入张量流后，角系数如何响应？它们能否探测到 $b \to c$ 衰变中的新物理？
• RQ3 角系数的比值在多大程度上可作为半轻子B衰变中轻子味 universality 破坏的探针？
• RQ4 $D^* \to D\gamma$ 衰变模式能否为测试 $B_s \to D_s^*\ell\bar{\nu}_\ell$ 衰变中的新物理提供清晰信号？
• RQ5 当引入新物理时，角可观测量对 $|V_{cb}|$ 包含-排除张力的敏感度如何？

主要发现

• 在 $\bar{B} \to D^*(D\pi)\ell^-\bar{\nu}_\ell$ 和 $\bar{B} \to D^*(D\gamma)\ell^-\bar{\nu}_\ell$ 中，角系数对形式因子参数化的选取敏感，为检验 CLN 与 BGL 模型提供了方法。
• 在有效哈密顿量中引入张量算符会改变角系数，为新物理提供了清晰信号。
• 提出了对轻子味 universality 破坏敏感的特定角系数比值，尤其在 $\tau$-模式衰变中显著。
• 研究表明，$D^* \to D\gamma$ 衰变模式是探测 $B_s \to D_s^*\ell\bar{\nu}_\ell$ 衰变中新物理的可行通道。
• 该研究证明，角可观测量可同时约束形式因子参数化并探测新物理，提供一种双重诊断工具。
• 结果表明，$|V_{cb}|$ 张力可能通过改进形式因子建模与新物理（尤其是张量流的存在）的结合得以解决。