[论文解读] The Global Fits of New Physics in $b o s $ after $R_{K^{(*)}}$ 2022 Release

Qiaoyi Wen, Fanrong Xu|arXiv (Cornell University)|May 30, 2023

Particle physics theoretical and experimental studiesPhysics and Astronomy被引用 3

一句话总结

本文使用来自LHCb、CMS、ATLAS、Belle和BaBar的200多个观测值，对$b\to s\ell^+\ell^-$跃迁中的新物理进行了全局拟合，涵盖2022年$R_{K^{(*))}}$更新前后的数据。尽管$R_{K^{(*)}}$异常似乎已消失，但该研究发现μ子道的$\Delta C_9^\mu$威尔逊系数存在持续的$\sim4\sigma$偏差，表明$b\to s\ell^+\ell^-$中的新物理仍具可行性。

ABSTRACT

The measurement of lepton universality parameters $R_{K^{(*)}}$ was updated by LHCb in December 2022, which indicated that the well-known anomalies in flavor-changing neutral current (FCNC) processes of B meson decays have faded away. However, does this mean that all new physics possibilities related to $b o s\ell^+\ell^-$ have been excluded? We aim to answer this question in this work. The state-of-the-art effective Hamiltonian is adopted to describe $b o s$ transition, while BSM (beyond the Standard Model) new physics effects are encoded in Wilson coefficients (WCs). Using around 200 observables in leptonic and semileptonic decays of B mesons and bottom baryons, measured by LHCb, CMS, ATLAS, Belle, and BaBar, we perform global fits of these Wilson coefficients in four different scenarios. In particular, lepton flavors in WCs are specified in some of the working scenarios. To see the change of new physics parameters, we use both the data before and after the 2022 release of $R_{K^{(*)}}$ in two separate sets of fits. We find that in three of the four scenarios, $ΔC_9^μ$ still has a deviation around or more than $4σ$ from the Standard Model. The lepton flavor in WCs is distinguishable for $ΔC_{9}$ at the $1σ$ level, but at the $2σ$ level all the operators are flavor identical. We demonstrate numerically that there is no chirality for muon type of scalar operator and it is kept at the $1σ$ level for their electron type dual ones, while chiral difference exists for $\mathcal{O}_{9}^μ$ at least at the $2σ$ level. Moreover, it can be deduced that the scalar operators $\mathcal{O}_{S,P}^{(')μ}$ become null if new physics emerges in terms of SMEFT (Standard Model Effective Field Theory) up to dimension-6.

研究动机与目标

• 在2022年LHCb更新$R_{K^{(*)}}$后，重新评估$b\to s\ell^+\ell^{-}$衰变中新物理的可行性，该更新显示轻子味 universality 违反异常显著减小。
• 在有效场论框架下，使用来自B介子和底重子衰变的200多个观测值的综合数据集，对威尔逊系数进行全局拟合。
• 调查在2022年更新前观察到的$\sim4\sigma$的$\Delta C_9^\mu$偏差，在更新后的$R_{K^{(*)}}$数据中是否依然存在。
• 检查新物理算符的味结构，特别是以$1\sigma$和$2\sigma$水平区分μ子和电子味的威尔逊系数。
• 检验标量算符$\mathcal{O}_{S,P}^{(\prime)\mu}$在SMEFT中至六维是否为零，并评估$\mathcal{O}_9^\mu$中的手征性结构。

提出的方法

• 使用最新的$b\to s\ell^+\ell^{-}$跃迁有效哈密顿量，新物理效应以在强子尺度上的威尔逊系数（WCs）编码。
• 应用QCDF方法计算半轻衰变的强子矩阵元，同时包含理论和实验不确定性。
• 对四种不同场景进行贝叶斯全局拟合，涵盖不同WC组合，包括一个明确指定μ子和电子味算符的场景。
• 比较使用2022年$R_{K^{(*)}}$更新前后的数据，以评估更新后$R_{K^{(*))}}$测量的影响。
• 采用包含理论和实验误差的似然函数，重点关注$\Delta C_9^\mu$作为关键感兴趣参数。
• 使用数值模拟和统计推断，确定各情景中新物理偏离标准模型的显著性。

实验结果

研究问题

• RQ1 2022年LHCb的$R_{K^{(*)}}$更新显示其与标准模型预测仅存在$0.2\sigma$偏差，是否意味着$b\to s\ell^+\ell^{-}$跃迁中新物理被排除？
• RQ2 在更新后的$R_{K^{(*)}}$数据下，$\sim4\sigma$的$\Delta C_9^\mu$偏差是否依然成立？
• RQ3 新物理算符的味结构是否可在$1\sigma$或$2\sigma$水平上区分，特别是针对$\Delta C_9^\mu$和标量算符？
• RQ4 若$R_{K^{(*)}}$中未观测到$\sim4\sigma$偏差，是否意味着在SMEFT中至六维，标量算符$\mathcal{O}_{S,P}^{(\prime)\mu}$必须为零？
• RQ5 $\mathcal{O}_9^\mu$算符中是否存在手征性结构？若存在，其显著性水平是多少？

主要发现

• 尽管2022年$R_{K^{(*)}}$更新显示与标准模型预测仅存在$0.2\sigma$偏差，但威尔逊系数$\Delta C_9^\mu$仍表现出$\sim4\sigma$的显著偏离标准模型预测。
• 在考虑的四种情景中有三种，μ子味的$\Delta C_9^\mu$偏差在更新后的$R_{K^{(*)}}$数据下仍保持在$4\sigma$水平，具有显著性。
• 对于$\Delta C_9^\mu$，威尔逊系数中的轻子味在$1\sigma$水平上可区分，表明新物理耦合可能存在非味统一性。
• 在$2\sigma$水平上，所有算符均与味相同一致，表明当前数据尚未排除味结构。
• 数值分析显示，μ子型标量算符无手征性，而$\mathcal{O}_9^\mu$在$2\sigma$水平上存在手征性差异。
• 该研究得出结论：在当前约束下，若新物理源于SMEFT至六维，则标量算符$\mathcal{O}_{S,P}^{(\prime)\mu}$必须为零。