[论文解读] Understanding the first measurement of $\mathcal{B}(B o K ν\barν)$

Lukas Allwicher, Damir Bečirević+3 more|arXiv (Cornell University)|Sep 5, 2023

Particle physics theoretical and experimental studies被引用 6

一句话总结

本文分析了 Belle II 对 $\mathcal{B}(B^\pm\to K^\pm\nu\bar{\nu}})$ 的首次测量，其结果比标准模型预测高出约 ~2.9σ。利用 SMEFT 框架，研究表明仅与 $\tau$ 轻子耦合的场景可解释分支比的增强，同时与 $R_{K^{(*)}}$ 和 $\mathcal{B}(B_s\to\mu\mu)$ 保持一致，但若不引入额外的非 $b\to s\ell\ell$ 类型算符，则无法完全解释 $R_{D^{(*)}}$ 异常。

ABSTRACT

Recently, Belle II reported on the first measurement of $\mathcal{B}(B^\pm o K^\pm ν\barν)$ which appears to be almost $3σ$ larger than predicted in the Standard Model. We point out the important correlation with $\mathcal{B}(B o K^{\ast} ν\barν)$ so that the measurement of that decay mode could help restraining the possible options for building the model of New Physics. We then try to interpret this new experimental result in terms of physics beyond the Standard Model by using SMEFT and find that a scenario with coupling only to $τ$ can accommodate the current experimental constraints but fails in getting a desired $R_{D^{(\ast )}}^\mathrm{exp}/R_{D^{(\ast )}}^\mathrm{SM}$, unless one turns the other SMEFT operators that are not related to $b o s\ell\ell$ or/and $b o sνν$.

研究动机与目标

• 解释 Belle II 测量的 $\mathcal{B}(B^\pm\to K^\pm\nu\bar{\nu}})$ 结果（比标准模型预测高约 ~2.9σ）在新物理背景下的含义。
• 评估该结果与现有来自 $R_{K^{(*)}}$、$\mathcal{B}(B_s\to\mu\mu)$ 和 $R_{D^{(*)}}$ 的约束的一致性。
• 确定在 SMEFT 框架下，哪些新物理算符可同时容纳 $B\to K\nu\bar{\nu}}$ 分支比的增强与其他 $b\to s$ 衰变过程。
• 探讨 $b\to s\nu\bar{\nu}}$ 衰变是否可通过与缪子或其他轻子味的耦合来解释，并分析其对 $R_{D^{(*)}}$ 的影响。

提出的方法

• 使用 SMEFT 框架关联 $b\to s\nu\bar{\nu}}$ 与 $b\to s\ell\ell$ 算符的威尔逊系数。
• 应用来自 $R_{K^{(*)}}=0.930(97)$、$\mathcal{B}(B_s\to\mu\mu)=3.35(27)\times10^{-8}$ 和 $R_{D^{(*)}}^{\text{exp}}/R_{D^{(*)}}^{\text{SM}}\approx1.05$ 的实验约束。
• 评估 $\mathcal{C}_{lq}^{(1)}$、$\mathcal{C}_{lq}^{(3)}$ 以及标量/张量算符对 $\mathcal{B}(B\to K\nu\bar{\nu}})$ 和 $R_{D^{(*)}}$ 的影响。
• 执行全局拟合，以约束仅与 $\tau$ 耦合、与缪子耦合以及非对角轻子耦合的参数空间。
• 利用格点 QCD 形因子约束，对 SM 与 BSM 情形下的 $\mathcal{B}(B\to K\nu\bar{\nu}})$ 的 $q^2$-依赖性进行建模。
• 同时考虑左手中性 $b\to s\nu\bar{\nu}}$ 与右手中性耦合，并从 $\Delta m_s$ 与 $\mathcal{B}(B\to K\nu\bar{\nu}})$ 推导新物理质量的限制。

Figure 1: The correlation between $\mathcal{B}(B\to{K^{\ast}}{\nu\nu})$ and $\mathcal{B}(B\to K{\nu\nu})$ decays with respect to the variation of $\delta C_{L}$ or $\delta C_{R}$ . The shaded gray area correspond to $1\sigma$ and $2\sigma$ of the recent Belle II result for $\mathcal{B}(B\to K{\nu\nu

实验结果

研究问题

• RQ1 在 SMEFT 框架下，Belle II 对 $\mathcal{B}(B^\pm\to K^\pm\nu\bar{\nu}})$ 的测量是否可由仅与 $\tau$ 轻子耦合的机制解释？
• RQ2 从观测到的 $B\to K\nu\bar{\nu}}$ 分支比增强中，对右手中性 $b\to s\nu\bar{\nu}}$ 耦合有何约束？
• RQ3 为何仅与缪子耦合的模型即使满足 $R_{K^{(*)}}$ 与 $\mathcal{B}(B_s\to\mu\mu)$ 的约束，仍无法解释实验数据？
• RQ4 在一致的 SMEFT 模型中，$R_{D^{(*)}}$ 异常能否与 $B\to K\nu\bar{\nu}}$ 测量结果相容？
• RQ5 非对角轻子耦合对 $\mathcal{B}(B\to K\nu\bar{\nu}})$ 与 $\mathcal{B}(B\to K\mu\tau)$ 有何影响？

主要发现

• Belle II 对 $\mathcal{B}(B^\pm\to K^\pm\nu\bar{\nu}})=2.40(67)\times10^{-5}$ 的测量表明 $R^{K}_{\nu\nu}=5.4\pm1.5$，显示与标准模型预测存在约 ~2.9σ 的偏离。
• 仅与 $\tau$ 轻子耦合的场景可解释 $B\to K\nu\bar{\nu}}$ 分支比的增强，同时与 $R_{K^{(*)}}$ 和 $\mathcal{B}(B_s\to\mu\mu)$ 保持一致。
• 仅与 $\tau$ 耦合的场景无法解释 $R_{D^{(*)}}$ 异常，其预测值 $R_{D^{(*)}}^{\text{exp}}/R_{D^{(*)}}^{\text{SM}}\approx1.05$ 低于实验观测值。
• 为解释 $\mathcal{B}(B\to K^\ast\nu\bar{\nu}})$ 达到标准模型预测 1.8 倍的情况，必须引入右手中性 $b\to s\nu\bar{\nu}}$ 耦合。
• $\mathcal{C}_{lq}^{(1)}$ 威尔逊系数虽可增强 $\mathcal{B}(B\to K\nu\bar{\nu}})$，但受到 $\mathcal{B}(B_s\to\mu\mu)$ 的严格约束，从而排除了缪子耦合的可能性。
• 非对角耦合至 $\mu$ 与 $\tau$ 会引发较大的 $\mathcal{B}(B\to K\mu\tau)$，该分支比目前尚未超出实验上限，但已受到高 $p_T$ $\ell\ell$ 搜索的约束。

Figure 2: Similar to Fig. 1 we show how the fraction of $B\to{K^{\ast}}{\nu\nu}$ with longitudinally polarized $K^{\ast}$ responds to the variation of $\delta C_{L}$ or $\delta C_{R}$ . Note that the yellow and purple curves correspond to those shown in Fig. 1 , each associated with the allowed rang