[论文解读] Status of New Physics searches with $b o s \ell^{+}\ell^{-}$ transitions @ LHCb

S. Bifani|arXiv (Cornell University)|May 7, 2017

Particle physics theoretical and experimental studies参考文献 5被引用 6

一句话总结

本文综述了LHCb对稀有 $b \to s \ell^+\ell^-$衰变中新物理的最新搜索，基于分支比、角分布及轻子 universality 检验。关键偏差包括 $B_s^0 \to \phi \mu^+\mu^-$ 中的 $3.3\sigma$ 张力、$P_5'$ 角观测量的 $3\sigma$ 异常，以及 $R_K$ 比值的 $2.6\sigma$ 偏离，均指向标准模型之外的可能新物理。

ABSTRACT

Rare decays of heavy-flavoured particles provide an ideal laboratory to look for deviations from the Standard Model, and explore energy regimes beyond the LHC reach. Decays proceeding via electroweak penguin diagrams are excellent probes to search for New Physics, and $b o s \ell^{+}\ell^{-}$ processes are particularly interesting since they give access to many observables such as branching fractions, asymmetries and angular observables. Recent results from the LHCb experiment are reviewed.

研究动机与目标

• 利用大型强子对撞机上的精确测量，搜索稀有 $b \to s \ell^+\ell^-$ 衰变中标准模型之外的物理现象。
• 通过涉及μ子和电子的分支比之比（如 $R_K$ 和 $R_{K^{*0}}$）测试轻子 universality。
• 通过 $B^0 \to K^{*0} \mu^+\mu^-$ 衰变中的角观测量（如 $P_5'$ 和 $A_{FB}$）探测新物理。
• 评估标准模型预测与实验数据在 $q^2$-微分分支比的低 $q^2$ 区域之间的差异。
• 评估 $B_s^0 \to \phi \mu^+\mu^-$ 和 $\Lambda_b^0 \to \Lambda \mu^+\mu^-$ 衰变与标准模型预期的一致性。

提出的方法

• 利用LHC第一阶段数据，测量 $B^0 \to K^{*0} \mu^+\mu^-$、$B_s^0 \to \phi \mu^+\mu^-$、$B^+ \to K^+ \mu^+\mu^-$ 以及 $\Lambda_b^0 \to \Lambda \mu^+\mu^-$ 的 $q^2$-微分分支比。
• 对 $B^0 \to K^{*0} \mu^+\mu^-$ 进行完整的角分布分析，提取CP平均角项与CP不对称性，包括 $P_5'$ 和 $F_L$。
• 通过双比值技术测量 $R_K = \mathcal{B}(B^+ \to K^+ \mu^+\mu^-)/\mathcal{B}(B^+ \to K^+ e^+e^-)$ 和 $R_{K^{*0}}$，以检验轻子 universality。
• 利用 $B^0 \to K^{*0} J/\psi \to \ell^+\ell^-$ 衰变作为参考，控制μ子与电子之间重建效率的差异。
• 使用理论观测量的比值以降低对强子形式因子的敏感性，从而提高 $P_5'$ 及其他角观测量的精度。
• 在多个衰变模式和 $q^2$ 区域中，将实验结果与标准模型预测进行比较，以识别持续存在的偏差。

实验结果

研究问题

• RQ1 在 $b \to s \ell^+\ell^-$ 衰变的 $q^2$-微分分支比中，特别是在低 $q^2$ 区域，是否存在与标准模型显著偏离的情况？
• RQ2 $B^0 \to K^{*0} \mu^+\mu^-$ 中的角观测量 $P_5'$ 是否在局部表现出与标准模型预测的偏差？
• RQ3 在 $b \to s \ell^+\ell^-$ 衰变中，$R_K$ 比值是否表明轻子 universality 被破坏？
• RQ4 $B_s^0 \to \phi \mu^+\mu^-$ 和 $\Lambda_b^0 \to \Lambda \mu^+\mu^-$ 的测量分支比与标准模型预期相比如何？
• RQ5 在 $R_K$、$P_5'$ 和 $R_{D^*}$ 中观察到的异常是否能被单一新物理模型一致解释？

主要发现

• $B_s^0 \to \phi \mu^+\mu^-$ 在 $1 < q^2 < 6~\mathrm{GeV^2}/c^4$ 区域的分支比比标准模型预测低 $3.3\sigma$。
• $B^0 \to K^{*0} \mu^+\mu^-$ 中的 $P_5'$ 角观测量在 $4 < q^2 < 8~\mathrm{GeV^2}/c^4$ 范围内表现出 $3\sigma$ 的局部偏差，与标准模型预测不符。
• $R_K$ 比值测量结果为 $0.745^{+0.090}_{-0.074}~\mathrm{(stat)} \pm 0.036~\mathrm{(syst)}$，与标准模型预测存在 $2.6\sigma$ 的张力。
• $B^0 \to D^{*+} \tau^- \bar{\nu}_\tau$ 与 $B^0 \to D^{*+} \mu^- \bar{\nu}_\mu$ 的 $R_{D^*}$ 比值为 $0.336 \pm 0.027~\mathrm{(stat)} \pm 0.030~\mathrm{(syst)}$，高于标准模型值 $2.1\sigma$。
• $B^+ \to \pi^+ \mu^+\mu^-$ 的分支比仅在拟合中包含 $\rho$ 和 $\omega$ 共振态时才与标准模型一致。
• $B^0 \to K^{*0} e^+e^-$ 的角分布分析显示，在 $0.002 < q^2 < 1.120~\mathrm{GeV^2}/c^4$ 范围内，所有观测量均与标准模型预测一致。