[论文解读] Semi-inclusive $b o s\bar{\ell}\ell$ transitions at high $q^2$

Gino Isidori, Zachary Polonsky+1 more|Zurich Open Repository and Archive (University of Zurich)|May 4, 2023

High-Energy Particle Collisions Research被引用 5

一句话总结

本文利用包含 $B\to X_s\bar{\ell}\ell$ 与 $B\to X_u\bar{\ell}\nu$ 率的比值，对高双轻子质量平方（$q^2 \geq 15~\text{GeV}^2$）下的半包含 $b\to s\bar{\ell}\ell$ 衰变速率给出了更新的标准模型预测，并通过求和主导的独显模式进行了验证。结果表明，包含与半包含的标准模型预测之间具有良好一致性，而实验数据在μ子模式中显示出约 $2\sigma$ 的缺失，且该结果与强子形式因子无关，支持了标准模型与实验之间长期存在的张力。

ABSTRACT

We present an updated Standard Model (SM) estimate of the inclusive $b o s\bar{\ell}\ell$ rate at high dilepton invariant mass ($q^2\geq 15~{ m GeV}^2$). We show that this estimate is in good agreement with the result obtained summing the SM predictions for the leading one-body modes ($K$ and $K^*$) and the subleading non-resonant $Kπ$ channel (for which we also present an updated estimate). On the contrary, the semi-inclusive sum based on data exhibits a deficit compared to the inclusive SM prediction in the muon modes. The statistical significance of this deficit does not exceed $2σ$, but is free from uncertainties on hadronic form factors, and fully compatible with the deficit observed at low-$q^2$ on the exclusive modes. The implications of these results in conjunction with other SM tests on $b o s\barμμ$ modes are briefly discussed.

研究动机与目标

• 通过 $B\to X_s\bar{\ell}\ell$ 与 $B\to X_u\bar{\ell}\nu$ 率的比值，提供一种新的、与形式因子无关的高 $q^2$ 条件下包含 $b\to s\bar{\ell}\ell$ 衰变速率估计。
• 通过使用 $B\to K\pi\bar{\ell}\ell$ 通道的更新估计，将半包含方法与完全包含预测进行比较，以验证其有效性。
• 在不受强子形式因子不确定性影响的前提下，检验标准模型在高 $q^2$ 区域与实验数据的一致性。
• 评估在μ子模式中观测到的偏差对新物理的影响，特别是与轻子味 universality 破坏相关的可能性。

提出的方法

• 通过比值 $R^{(\ell)}_{\rm incl}(q_0^2) = \Gamma(B\to X_s\bar{\ell}\ell)_{[q_0^2]} / \Gamma(B\to X_u\bar{\ell}\nu)_{[q_0^2]}$ 计算包含 $b\to s\bar{\ell}\ell$ 衰变速率，该方法可抑制非微扰不确定性。
• 利用 Belle 实验测量的 $\Gamma(B\to X_u\bar{\ell}\nu)$ 作为 $q^2$ 的函数，对上述比值进行评估。
• 通过在 $q^2 \geq 15~\text{GeV}^2$ 下对 $B\to K$、$B\to K^*$ 和 $B\to K\pi$ 模式的标准模型预测求和，重建半包含衰变速率。
• 在高 $q^2$ 区域，利用有效场论与重夸克展开技术，对 $B\to K\pi\bar{\ell}\ell$ 衰变速率进行更新。
• 采用一组新的有效算符基 $\mathcal{O}_V$、$\mathcal{O}_L$、$\mathcal{O}_R$、$\mathcal{O}_S$、$\mathcal{O}_P$ 来参数化短距离物理，以分离轻子味不变与轻子味破坏的贡献。
• 检验包含与半包含的标准模型预测之间的一致性，并将实验数据与标准模型预测进行比较，以评估偏离程度。

实验结果

研究问题

• RQ1 在标准模型中，高 $q^2$ 条件下包含 $b\to s\bar{\ell}\ell$ 衰变速率是否与主导独显模式之和一致？
• RQ2 当分析中去除非微扰形式因子的影响后，高 $q^2$ 条件下半包含 $B\to X_s\bar{\mu}\mu$ 衰变速率的观测缺失是否依然存在？
• RQ3 观测到的μ子模式张力是否可由威尔逊系数 $\Delta C_L^\mu$ 的微小非零轻子味破坏贡献来解释？
• RQ4 结合 $B\to X_s\bar{\mu}\mu$、$R_K$、$R_{K^*}$ 与 $\mathcal{B}(B_s\to\bar{\mu}\mu)$ 的实验数据，对 $b\to s\bar{\ell}\ell$ 振幅中的新物理施加了何种约束？

主要发现

• 通过比值 $R^{(\ell)}_{\rm incl}(q_0^2)$ 计算的高 $q^2$ 条件下包含 $b\to s\bar{\ell}\ell$ 衰变速率，与 $B\to K$、$B\to K^*$ 与 $B\to K\pi$ 模式之和的半包含结果具有良好一致性。
• 在高 $q^2$ 条件下，$B\to K\pi\bar{\ell}\ell$ 通道对总半包含衰变速率的贡献约为 $10\%$，而多重态模式的贡献进一步被抑制。
• 高 $q^2$ 条件下半包含 $B\to X_s\bar{\mu}\mu$ 衰变速率的实验数据与标准模型预测相比，显示出约 $2\sigma$ 的缺失，且该结果与强子形式因子不确定性无关。
• 仅通过修改 $C_V$ 威尔逊系数无法解释该偏差，因为这将需要一个非自然的大幅修正。
• 对 $C_V$ 与 $\Delta C_L^\mu$ 的联合拟合可良好描述实验数据，其中 $\Delta C_L^\mu = -0.026 \pm 0.019$，表明存在一个微小但非零的轻子味破坏贡献。
• 该分析确认，$\mathcal{O}_V$–$\mathcal{O}_L$ 算符基更适合分析 $b\to s\bar{\ell}\ell$ 振幅，尤其适用于探测涉及轻子味破坏的新物理。