[论文解读] Updates on SM predictions of $|V_{cb}|$ and $R(D^{*})$ in $B o D^{*}\ellν_\ell$ decays

Sneha Jaiswal, Soumitra Nandi+1 more|arXiv (Cornell University)|Feb 13, 2020

Particle physics theoretical and experimental studies被引用 7

一句话总结

本文利用Belle 2019年关于$B \to D^*\ell\nu_\ell$衰变分布的最新数据，更新了标准模型对$R(D^*)$比值和独显$|V_{cb}|$提取的预测。采用Fermilab-MILC和JLQCD的格点QCD形式因子，结合贝叶斯拟合框架，研究报告得到$R(D^*) = 0.252^{+0.007}_{-0.006}$和$|V_{cb}| = 39.56^{+0.106}_{-0.104} \times 10^{-3}$，两者均与世界平均值在约3σ水平下一致；而诸如$F_L(D^*)$等角观测量则与测量结果在2σ水平下一致。

ABSTRACT

We update the standard model (SM) predictions of $R(D^*)$ using the latest results on the decay distributions in $B o D^* \ell ν_{\ell}$ ($\ell = μ, e$) by Belle collaboration, while extracting $|V_{cb}|$ at the same time. Depending on the inputs used in the analysis, we define various fit scenarios. Although the central values of the predicted $R(D^*)$ in all the scenarios have reduced from its earlier predictions in 2017, the results are consistent with each other within the uncertainties. In this analysis, our prediction of $R(D^*)$ is consistent with the respective world average at $\sim 3σ$. We have also predicted several angular observables associated with $B o D^* τν_τ$ decays. We note that the predicted $F_L(D^*)$ is consistent with the corresponding measurement at 2$σ$. Utilizing these new results, we fit the Wilson coefficients appearing beyond the standard model of particle physics (BSM). To see the trend of SM predictions, we have utilized the recently published preliminary results on the form-factors at non-zero recoil by the lattice groups like Fermilab-MILC and JLQCD and predicted the observables in $B o D^* \ell ν_{\ell}$, and $B o D^* τν_τ$ decays.

研究动机与目标

• 利用Belle 2019年关于$B \to D^*\ell\nu_\ell$衰变分布的最新数据，更新标准模型对$R(D^*)$的预测。
• 采用改进的统计方法，从频率学方法转向贝叶斯推断，重新评估独显$|V_{cb}|$的确定。
• 利用实验数据、轻锥求和规则（LCSR）和初步格点QCD结果（Fermilab-MILC、JLQCD），比较形式因子和衰变分布的预测。
• 评估标准模型预测与$R(D^*)$和$F_L(D^*)$实验测量的一致性，并通过威尔逊系数约束新物理。
• 评估格点QCD结果与数据驱动拟合之间的差异，特别是在低反冲区域（$w \to 1$）。

提出的方法

• 采用贝叶斯统计框架对$B \to D^*\ell\nu_\ell$衰变分布进行拟合，将所有未知参数视为概率分布。
• 使用Caprini-Lellouch-Neubert（CLN）形式因子参数化，并在$q^2 = 0$处引入轻锥求和规则（LCSR）的约束。
• 整合了Fermilab-MILC和JLQCD在非零反冲下的近期格点QCD形式因子结果，实现无模型依赖的比较。
• 利用Belle 2019年数据，对$w$-区间内的微分衰变率分布进行拟合，有无LCSR输入均进行，以提取$|V_{cb}|$和$R(D^*)$。
• 利用拟合得到的形式因子，预测$B \to D^*\tau\nu_\tau$衰变中的角观测量，如$F_L(D^*)$和$R(D^*)$。
• 通过将标准模型预测与测量得到的$R(D^*)$和$F_L(D^*)$值进行比较，约束新物理算符的威尔逊系数（矢量、标量、张量）。

实验结果

研究问题

• RQ1 当引入Belle 2019年关于$B \to D^*\ell\nu_\ell$衰变分布的最新数据时，$R(D^*)$和$|V_{cb}|$的标准模型预测如何变化？
• RQ2 Fermilab-MILC和JLQCD的格点QCD形式因子对$R(D^*)$和$F_L(D^*)$的预测，与数据驱动拟合及LCSR输入的一致性如何？
• RQ3 更新后的标准模型对$R(D^*)$的预测与当前世界平均值的一致性如何？这对轻子味普适性破坏意味着什么？
• RQ4 与以往的频率学分析相比，贝叶斯拟合得到的$|V_{cb}|$和$R(D^*)$值有何差异？不确定性降低有何影响？
• RQ5 哪些新物理威尔逊系数最符合数据，特别是解释观测到的$R(D^*)$过量？

主要发现

• 更新后的标准模型对$R(D^*)$的预测为$0.252^{+0.007}_{-0.006}$，与世界平均值$0.258 \pm 0.005$在约3σ水平下一致。
• 独显$|V_{cb}|$的确定结果为$39.56^{+0.106}_{-0.104} \times 10^{-3}$，相比2017年分析显著降低了不确定性。
• 预测的$F_L(D^*)$为$0.656^{+0.020}_{-0.022}$，与测量值在2σ水平下一致，尽管略低于实验中心值。
• Fermilab-MILC和JLQCD的格点QCD结果在高反冲区域与数据驱动拟合结果良好一致，但在低反冲区域出现3–4σ的差异。
• $R(D^*)$的预测与测量值不完全一致，表明可能存在约2σ的过量，这可能由新物理解释，特别是左手性矢量或标量算符。
• 该分析排除了右手法标量夸克流的场景，而左手性矢量流（标准模型类似）仍是解释$R(D^*)$异常的最被青睐的新物理场景。