[论文解读] When Energy Goes Missing: New Physics in $b o sνν$ with Sterile Neutrinos

Tobias Felkl, A. Giri+2 more|arXiv (Cornell University)|Sep 6, 2023

Particle physics theoretical and experimental studies参考文献 82被引用 4

一句话总结

该论文提出，Belle II实验中观测到的$B^+ \to K^+ + \text{inv}$衰变过剩现象，可通过在$\nu$ SMEFT框架下由大质量惰性中微子介导的$b \to s\nu\bar{\nu}$跃迁来解释。该研究识别出与所有$B\to K^{(*)}+\text{inv}$模式、隐形$B_s$衰变以及带电流$B\to D^{(*)}\ell\bar{\nu}}$数据一致的参数区域，同时为有效算符提供了紫外完成方案。

ABSTRACT

Belle II recently reported the first measurement of $B^+ o K^++\mathrm{inv}$, which is $2.8σ$ above the Standard Model prediction. We explore the available parameter space of new physics within Standard Model effective field theory extended by sterile neutrinos ($ν$SMEFT) and provide predictions for the other $B o K^{(\star)}+\mathrm{inv}$ decay modes and invisible $B_s$ decays. We also briefly comment on charged current decays $B o D^{(\star)}\ell\barν$ and possible ultraviolet completions of the relevant $ν$SMEFT operators.

研究动机与目标

• 通过涉及惰性中微子的新物理机制，解释Belle II实验中观测到的$B^+ \to K^+ + \text{inv}$衰变过剩现象，其超出标准模型预测达$3\sigma$。
• 解决$B^+ \to K^+ + \text{inv}$过剩与其它$B\to K^{(*)}+\text{inv}$模式及隐形$B_s$衰变未被观测到之间的张力。
• 在有效场论分析中完整包含惰性中微子的质量依赖性，超越以往的无质量近似。
• 在$\nu$ SMEFT框架下识别出同时满足$B\to D^{(*)}\ell\bar{\nu}}$衰变和$B_s$隐形衰变约束的可行参数区域。
• 为$\nu$ SMEFT模型中的有效算符提供紫外完成方案，以确保理论一致性和可重整化性。

提出的方法

• 在$\mu = 1$ TeV能量尺度下构建包含惰性中微子的$\nu$ SMEFT框架，引入四费米子算符$\mathcal{O}^{\rm QN}, \mathcal{O}^{\rm dN}, \mathcal{O}^{\rm LNQd}, \mathcal{O}^{\rm LNQdT}$，并保留完整的惰性中微子质量依赖性。
• 通过跑动的微分方程将$\nu$ SMEFT算符匹配到电弱尺度的低能有效理论（LEFT），保留矢量、标量、张量和赝矢量相互作用。
• 在$S,P,V,A,\mathcal{T}$基底下表达威尔逊系数，区分左右手性中微子流，并通过中微子指标的对称化与反对称化处理味对称性。
• 利用完整的形因子依赖关系和$S,P,V,A,\mathcal{T}$基底，计算$B_s \to \nu_\alpha\nu_\beta$的分支比，包含不同算符之间的干涉项。
• 应用来自$B\to D^{(*)}\ell\bar{\nu}}$衰变、隐形$B_s$衰变以及其他$B\to K^{(*)}+\text{inv}$模式的约束，以限制可行的参数空间。
• 通过规范单态费米子和标量媒介子构建有效算符的紫外完成方案，确保与$\nu$ SMEFT结构的一致性。

Figure 1: Differential branching ratio as a function of the missing invariant mass squared $q^{2}$ for vector (blue), scalar (red) and tensor (black) operators. All Wilson coefficients are fixed to $C=0.01\,\mathrm{TeV}^{-2}$ at $\mu=1$ TeV and the SM contribution is taken into account. The solid li

实验结果

研究问题

• RQ1 在包含完整质量依赖性的$\nu$ SMEFT中，惰性中微子贡献是否能解释$B^+ \to K^+ + \text{inv}$衰变过剩？
• RQ2 哪些惰性中微子耦合与质量组合与Belle II实验中$B^+ \to K^+ + \text{inv}$衰变过剩以及其它$B\to K^{(*)}+\text{inv}$模式未被观测到的现象相容？
• RQ3 来自隐形$B_s$衰变和$B\to D^{(*)}\ell\bar{\nu}}$衰变的约束如何塑造惰性中微子模型的可行参数空间？
• RQ4 在$\nu$ SMEFT中，哪些紫外完成方案能实现惰性中微子耦合的可重整化量子场论实现？
• RQ5 标量和张量算符在$B^+ \to K^+ + \text{inv}$衰变振幅中的贡献程度如何？它们对分支比有何影响？

主要发现

• 在$\nu$ SMEFT中，$B^+ \to K^+ + \text{inv}$衰变过剩可由惰性中微子贡献解释，其中主导贡献来自$\mathcal{O}^{\rm LNQdT}$张量算符。
• 存在可行的参数区域，使得$B^+ \to K^+ + \text{inv}$分支比达到$\sim 2.4 \times 10^{-5}$，与Belle II实验测量结果一致，且具有$3\sigma$显著性。
• 来自隐形$B_s$衰变和$B\to D^{(*)}\ell\bar{\nu}}$衰变的约束显著限制了惰性中微子的质量和耦合强度，尤其在$m_N \lesssim 100$ MeV范围内。
• $B_s \to \nu_\alpha\nu_\beta$的分支比对$A$和$P$流贡献敏感，在可行参数区域内，$\mathrm{BR}(B_s \to \nu_\alpha\nu_\alpha) \lesssim 10^{-6}$。
• 有效算符的紫外完成通过规范单态费米子和标量媒介子实现，其中$\mathcal{O}^{\rm LNQdT}$算符可由$Z'$-型规范玻色子或标量交换产生。
• 分析表明，标量和张量算符对完整描述至关重要，当惰性中微子质量非零时，它们对$B^+ \to K^+ + \text{inv}$振幅有显著贡献。

Figure 2: The red (green) contour line stands for the present bound on BR( $B^{0}\to K^{\star 0}(K^{0})+\mathrm{inv}$ ), and the respective regions above these lines are therefore ruled out. The light-blue band symbolises the simple weighted average for BR( $B^{+}\to K^{+}+\mathrm{inv}$ ), and the h