Searching for new physics in semileptonic B meson decays

Abstract

Al llarg dels últims anys, s'han observat nombroses senyals que suggereixen l'existència de Física més enllà del Model Estàndard en desintegracions semi-leptòniques de mesons B, mediades per transicions del tipus b --> sll. Més concretament, l'experiment LHCb, juntament amb altres experiments al LHC i col·laboracions externes com Belle, han trobat desviacions en les mesures experimentals de diferents observables d'important rellevància respecte les seves prediccions teòriques en el Model Estàndard. Parcialment, aquesta situació no es sorprenent, ja que en un conjunt gran de dades un sempre espera tenir un subconjunt en tensió amb les seves prediccions. No obstant, la importància de les observacions actuals és que totes aquestes tensions formen un patró coherent apuntant cap a "una direcció privilegiada". Per aquesta raó, els anàlisis globals d'aquestes dades mostren una discrepància general de més de 5sigmes respecte el Model Estàndard

Per estudiar aquestes tensions de manera consistent, treballem des del marc del Hamiltonià efectiu que descriu la dinàmica de les transicions b --> sll. Aquesta descripció, conceptualment senzilla, ens permet descriure qualsevol desintegració d'un mesó B, que procedeixi a través de l'anterior transició, en base a un conjunt reduït de paràmetres. Precisament, aquest fet és el fa possible analitzar la totalitat dels observables on s'observen tensions de manera eficient per mitjà de fits globals.

En aquesta Tesi, presentem la última versió dels anàlisis globals esmentats. Primer, descrivim el context teòric general que ens serveix de base per tots els nostres càlculs, fent especial èmfasi en l'estimació dels errors corresponents. I després, exposem els nostres resultats amb tota profunditat de detalls, així com comentem també les seves possibles implicacions.

Recientemente, el campo de las desintegraciones electro-débiles de mesones B ha observado la aparición de numerosas señales que indican la existencia de Física más allá del Modelo Estándar, siendo los procesos mediados por transiciones b --> sll el contexto habitual de dichas señales. Más en detalle, el experimento LHCb, junto con otros de los experimentos en el LHC y otras colaboraciones como Belle, han encontrado desviaciones en los valores experimentales de distintos observables, relevantes en la caracterización de las transiciones b --> sll, con respecto sus predicciones teóricas en el marco del Modelo Estándar. En parte, esta situación no es sorprendente, puesto que uno se espera encontrar varias medidas en tensión con sus predicciones en un conjunto grande de datos. No obstante, lo que es muy destacable es que estas tensiones forman un patrón de desviaciones con coherencia interna y parece que apuntan todas "en la misma dirección". Por esta razón, al evaluar la importancia global del conjunto de tensiones mediante un análisis global, el resultado indica una discrepancia general de los datos con respecto del Modelo Estándar de más de 5sigmas.

Para estudiar dichas tensiones de forma consistente utilizamos un Hamiltoniano efectivo, dónde se codifica la dinámica de las transiciones b --> sll. Esta simple herramienta nos permite describir cualquier desintegración de un mesón B, que opere a través de dicha transición, a través de un conjunto reducido de parámetros, hecho que posibilita poder analizar un conjunto numeroso de datos por medio de fits globales.

En esta Tesis presentamos la última versión de los citados análisis globales. Primero, describimos el contexto teórico general que sirve de base para todos nuestros cálculos, prestando especial atención a los métodos utilizados para estimar la incertidumbre asociada a nuestras predicciones, para después mostrar todos los detalles de nuestro análisis así como sus implicaciones.

In the recent years, intriguing hints of New Physics (NP) have been accumulated in semileptonic B-meson decays, mostly involving neutral-current transitions b --> sll. The LHCb collaboration, other collaborations at the LHC and the Belle experiment have reported deviations from the Standard Model expectations in several observables measuring the aforementioned transition. These are commonly referred to in the literature as B-anomalies. Not surprisingly, some of these measurements show deviations from the SM predictions by a few standard deviations. More interesting is the fact that several of these deviations from the SM appear to be "in the same direction", in such a way that when quantified by a global fit the discrepancy with the SM is over the 5sigma level.

In order to assess the significance of these anomalies and to treat them consistently, we propose a model-independent analysis based on an Effective Hamiltonian encoding the dynamics of the underlying quark level transition. This has the advantage of providing a simple systematic framework where all possible processes, mediated by the same transition, can be described with the same set of parameters, allowing for global fits of large numbers of observables defined in several channels.

This Thesis presents our most updated global analyses of b --> sll data. First, we describe the general framework used to compute the different types of observables, paying special attention to the treatment of the uncertainties involved. And then, we discuss both our analytical approach and the implications of the most significant results obtained from our fits.