[论文解读] The $Λ_b o Λ( o pπ^-)μ^+μ^-$ decay in the aligned two-Higgs-doublet model

Quan-Yi Hu, Xin-Qiang Li+1 more|arXiv (Cornell University)|Jan 15, 2017

Particle physics theoretical and experimental studies参考文献 82被引用 7

一句话总结

本研究在对齐的二Higgs双重模型（A2HDM）中，利用精确的格点QCD形式因子，研究了稀有重子衰变 $Λ_b \to \Lambda(\to p\pi^-)\mu^+\mu^-$。结果表明，带电标量引起的右手中性流半轻衰变算符可使标准模型与LHCb在 $[15,20]\,\text{GeV}^2$ 能区的数据一致，尤其增强了微分分支比和轻子侧正向-后向不对称性。

ABSTRACT

The rare baryonic decay $Λ_b o Λ( o pπ^-)μ^+μ^-$ provides valuable complementary information compared to the corresponding mesonic $b o sμ^+μ^-$ transition. In this paper, using the latest high-precision lattice QCD calculation of the $Λ_b oΛ$ transition form factors, we study this interesting decay within the aligned two-Higgs-doublet model, paying particularly attention to effects of the chirality-flipped operators generated by the charged scalars. In order to extract the full set of angular coefficients in this decay, we consider the following ten angular observables that can be derived from the analysis of the subsequent parity-violating $Λ o pπ^-$ decay: the differential branching fraction ${ m d}{\cal B}/{ m d}q^2$, the longitudinal polarization fraction $F_L$, the lepton-, hadron- and combined lepton-hadron-side forward-backward asymmetries $A_{ m FB}^\ell$, $A_{ m FB}^Λ$ and $A_{ m FB}^{\ellΛ}$, as well as the other five asymmetry observables $Y_i$~($i={ m 2,\,3s,\,3sc,\,4s,\,4sc}$). Detailed numerical comparisons are made between the SM and NP values for these angular observables. It is found that, under the constraints from the inclusive $B o X_sγ$ branching fraction and the latest global fit results of $b o s\ell\ell$ data, the contributions of right-handed semileptonic operators $O^{\prime}_{9,10}$, besides reconciling the $P_5^{\prime}$ anomaly observed in $B^0 o K^{\ast 0}μ^+μ^-$ decay, could also enhance the values of ${ m d}{\cal B}/{ m d}q^2$ and $A_{ m FB}^\ell$ in the bin $[15,20]~{ m GeV}^2$, leading to results consistent with the current LHCb measurements.

研究动机与目标

• 探究标准模型之外的稀有重子 $b\to s\mu^+\mu^-$ 衰变中的新物理。
• 研究对齐的二Higgs双重模型（A2HDM）是否能解释 $b\to s\ell\ell$ 衰变中持续存在的异常现象。
• 评估来自带电标量的手征性翻转算符对 $\Lambda_b \to \Lambda(\to p\pi^-)\mu^+\mu^-$ 中角观测量的影响。
• 将A2HDM的预测与LHCb测量结果及 $b\to s\ell\ell$ 数据的全局拟合进行比较，重点关注 $q^2$-依赖的观测量。

提出的方法

• 使用最新的高精度格点QCD计算方法获取 $\Lambda_b \to \Lambda$ 衰变形式因子。
• 分析 $\Lambda_b \to \Lambda(\to p\pi^-)\mu^+\mu^-$ 的完整四体角分布，以提取十个角观测量。
• 应用有效场论技术计算A2HDM中的威尔逊系数，包括带电Higgs玻色子的贡献。
• 以圈函数 $F_i(y_t)$ 和汤川耦合常数表示 $C_9^{\prime}$、$C_{10}^{\prime}$ 和 $C_7^{\rm eff}$ 的表达式。
• 施加来自 $B\to X_s\gamma$ 分支比和 $b\to s\ell\ell$ 数据全局拟合的约束。
• 对标准模型与A2HDM在微分分支比、极化分数及正向-后向不对称性方面的预测进行数值比较。

实验结果

研究问题

• RQ1 A2HDM能否通过右手中性流算符的贡献，解释在 $B^0\to K^{*0}\mu^+\mu^-$ 衰变中观测到的 $P_5'$ 异常？
• RQ2 A2HDM中带电标量的贡献是否能增强 $\Lambda_b \to \Lambda\mu^+\mu^-$ 的微分分支比和轻子侧正向-后向不对称性，使其与LHCb数据一致？
• RQ3 A2HDM是否与来自 $B\to X_s\gamma$ 和 $b\to s\ell\ell$ 数据全局拟合的约束一致？
• RQ4 A2HDM能否解决标准模型预测与LHCb在 $[15,20]\,\text{GeV}^2$ 能区测量结果之间的差异？
• RQ5 A2HDM能否为强子和重子 $b\to s\ell^+\ell^-$ 衰变中的异常现象提供统一解释？

主要发现

• 在 $[15,20]\,\text{GeV}^2$ 能区，B型A2HDM显著增强了微分分支比和轻子侧正向-后向不对称性 $A_{\rm FB}^\ell$，使其与当前LHCb测量结果一致。
• 由A2HDM中带电标量诱导的右手中性流算符 $O^{\prime}_9$ 和 $O^{\prime}_{10}$ 在此 $q^2$ 区域显著改善了与实验数据的一致性。
• B型A2HDM相较于标准模型和A型模型更具优势，因其能同时解释 $B^0\to K^{*0}\mu^+\mu^-$ 中的 $P_5'$ 异常和 $\Lambda_b\to\Lambda\mu^+\mu^-$ 的观测量。
• 该模型预测 $C_9$ 出现正值修正，与仅基于强子衰变的全局拟合所偏好负值修正形成对比，提示新物理结构更为复杂。
• 结果表明，B型A2HDM是当前 $b$-强子衰变异常现象的有力候选解，尤其在结合高精度角观测量时更为显著。
• 非因子化旁观效应仍是理论挑战，未来需进行高精度、细能区分块的测量，以进一步检验该模型。