Exploring the Flavour Anomalies in B decays: A path towards New Physics

Abstract

El camp de la Física del Sabor ha estat posant a prova el Model Estàndard de manera activa durant els últims anys, especialment en transicions que involucren un quark b. Conegudes amb el nom d’anomalies B, consisteixen en un conjunt de discrepàncies entre mesures experimentals i prediccions teòriques en diversos canals relacionats amb la desintegració d’un mesó B: corrents semileptònics, tant carregats com neutres, desintegracions completament leptòniques i també processos que no involucren leptons. Respecte als primers, anàlisis globals incloent totes les dades experimentals disponibles relacionades amb observables que mesuren la transició b->sll mostren tensions globals de més de 7 sigma. En altres canals trobem observables que, de forma individual, arriben al nivell de 2-3 sigma de discrepància. Tot i que aquests fets per si sols ja podrien esgrimir-se com un argument definitiu que confirma la necessitat de Nova Física per explicar les dades experimentals actuals, el fet més rellevant és que podem establir patrons de coherència que connecten totes aquestes desviacions aparentment deslligades. En aquesta Tesi presentem una introducció als diferents elements teòrics necessaris per descriure les anomalies B, descrites abans, dintre del marc d’una Teoria de Camps Efectiva, així com també els resultats més actualitzats del nostre Fit Global a observables relacionats amb el procés b->sll. A més a més, també discutim les tensions individuals en observables del canal semileptònic carregat B->D*l nu, així com de la transició no leptònica B_{d,s}->K*0K*0. Per últim, també proposem possibles models de Nova Física que potencialment poden connectar tot aquest conjunt de processos diferents.

El campo de la Física del Sabor ha puesto a prueba el Modelo Estándar activamente de un tiempo aquí, especialmente en transiciones que involucran un quark b. Conocidas con el nombre de anomalías B, consisten en un conjunto de discrepancias entre medidas experimentales y predicciones teóricas en distintos canales relacionados con la desintegración de un mesón B: corrientes semileptónicas, tanto cargadas como neutras, desintegraciones completamente leptónicas y también procesos que no involucran leptones. Respecto a los primeros, análisis globales incluyendo todos los datos experimentales disponibles relacionados con observables que miden la transición b->sll muestran tensiones globales de más de 7 sigma. En otros canales encontramos observables que de forma individual alcanzan discrepancias de 2-3 sigma. Aunque eso ya podría ser argumento suficiente para confirmar la necesidad de Nueva Física para explicar los datos experimentales actuales, la característica más relevante es que podemos establecer patrones de coherencia que conectan estas desviaciones aparentemente independientes. En esta Tesis presentamos una introducción a los diferentes elementos teóricos necesarios para describir las anomalías B dentro del marco de una Teoría de Campos Efectiva, así como los resultados más actualitzados de nuestro Fit Global a observables relacionados con el proceso b->sll. Además, también discutimos las tensiones individuales en observables del canal semileptónico cargado B->D*l nu, así com de la transición no leptónica B_{d,s}->K*0K*0. Por último, también proponemos posibles modelos de Nueva Física que potencialmente pueden conectar los elementos de este conjunto de procesos diferentes.

The field of Flavour Physics has been actively challenging the Standard Model in recent years, in particular in transitions involving a b quark. These are the so-called B-anomalies, and discrepancies between experimental measurements and theoretical predictions have been found in different channels related to a B-meson decay: semileptonic currents, both charged and neutral, fully leptonic and also nonleptonic processes. Concerning the former, global analyses including all available experimental data on b->sll observables reach global tensions of more than 7 sigma. In other channels, individual observables already show discrepancies at the level of 2-3 sigma. While this alone could make a compelling case for the need of New Physics to explain the current experimental data, what is most remarkable is the fact that one can establish coherent patterns linking all these apparently independent deviations. In this Thesis we present an introduction to the different theoretical elements needed to describe the aforementioned B-anomalies within the framework of an Effective Field Theory, as well as the state-of-the-art results of our Global Fit to b->sll observables. We also discuss individual tensions in observables of the charged semileptonic current B->D*l nu and also the nonleptonic B_{d,s}->K*0K*0 transition. On top of that, we also propose possible New Physics models that could bridge the gap between these different kinds of processes.