Searching for new physics in bottom-quark decays

Abstract

In recent years, small deviations between experimental measurements and predictions from the Standard Model (SM) have been observed in bottom-quark decays, which indicate that Lepton Flavour Universality (LFU) may be violated. These small deviations, the so-called b-anomalies, have been observed in the two decay channels b → cℓ ̄ν and b → sℓℓ. To ensure that the b-anomalies are not an underestimation of the systematic uncertainties, we aim in this thesis to improve the precision of flavour physics prediction while also providing insight on the tension between theory prediction and experimental measurement by incorporating New Physics (NP) effects and their impact on observables in the bottom-quark decay. This dissertation is written in the form of a cumulative work based on our six articles, four of which have been published in international peer-reviewed journals and the remaining two are being prepared for publication. First, we investigate the background signals of the inclusive decay B → Xcℓ ̄ν that is relevant for the extraction of |Vcb|. In order to increase precision, we argue that removing the background signals from Monte-Carlo simulation data should be avoided because it introduces uncertainties. Instead, we can precisely compute the background signals using Heavy Quark Expansion (HQE). In addition, we investigate the LFU symmetry of the SM in the semileptonic B → Xcℓ ̄ν decays. Ratios of branching fractions between decays are used to probe the LFU hypothesis, where our calculation of the LFU ratios for the SM takes into account the mass effects in the total decay rate. We provide updated results for the branching ratio of B → Xcτ ̄ν. If there is a difference between SM predictions and experimental data, this could indicate the presence of NP impacts. We also investigate the possibility of NP effect in the inclusive semileptonic B → Xcℓ ̄ν decay. The calculations rely on the HQE and use non-perturbative parameters extracted from decay spectra. The extraction of HQE parameters is done assuming the SM, but we explore the idea that NP effects might be hidden in the HQE parameters. The primary goal is to lay the groundwork for a global fit analysis that includes the full basis of NP operators, allowing for the extraction of HQE parameters and consequently an updated result for |Vcb| with NP effects. In the baryonic decay channel we investigate the possibility of the Lepton Flavour Violation (LFV) for the exclusive decay Λb → Λℓ−ℓ+ using a full basis of NP operators for the first time. We investigate the branching ratio and forward-backward symmetry of the decay quantitatively using both a model-independent and model-dependent approach. We emphasize that the baryonic decay constrains the NP Wilson coefficients differently from the mesonic decay, which has the potential to further constrain the allowed parameter space for NP models. We can also improve the constraint of the NP models by reducing the hadronic uncertainties caused by the ten independent local form factors of Λb → Λ. To improve the control of the uncertainties, we introduce a new parametrization for the local form factors in which the form factor parameters are bounded due to orthonormal polynomials that diagonalize the form factor contribution within their respective dispersive bounds. We show, using a Bayesian analysis of available lattice QCD data, that our model provides excellent control over systematic uncertainty when extrapolating to the region of large hadronic recoil. As part of this thesis’s final project, we investigate the light-cone distribution amplitude (LCDA) of the B meson. We are particularly interested in three-particle LCDAs, which can be found in higher dimensional vacuum-to-meson matrix elements. These matrix elements can be parametrized in terms of two parameters. To estimate the parameters, we propose alternative diagonal QCD sum rules. The sum rules of our new approach have the advantage of being positive definite, which means that we expect the quark-hadron duality to be more accurate than the previous studied sum rules.

In den letzten Jahren wurden kleine Abweichungen zwischen experimentellen Messungen und Vorhersagen des Standardmodells (SM) bei Bottom-Quark-Zerfällen beobachtet, was auf eine Verletzung der Lepton Flavour Universalität (LFU) hindeuten könnte. Diese Abweichungen, die sogenannten b-Anomalien, wurden in den beiden Zerfallskanälen b → cℓ ̄ν und b → sℓℓ beobachtet. Um sicherzustellen, dass die b-Anomalien nicht eine Unterschätzung der systematischen Unsicherheiten sind, zielen wir in dieser Arbeit darauf ab, die Genauigkeit der Vorhersagen der Flavour-Physik zu verbessern und gleichzeitig einen Einblick in die Spannung zwischen der theoretischen Vorhersage und der experimentellen Messung zu geben, indem wir die Effekte der Neuen Physik (NP) und ihre Auswirkungen auf die Observablen im Bottom-Quark-Zerfall ber ̈ucksichtigen. Diese Dissertation ist in Form einer kumulativen Arbeit geschrieben, die auf unseren sechs Artikeln basiert, von denen vier in internationalen, von Experten begutachteten Zeitschriften veröffentlicht wurden und die restlichen zwei sind in Vorbereitung zur Veröffentlichung. Zunächst untersuchen wir die Hintergrundsignale des inklusiven Zerfalls B → Xcℓ ̄ν, der für die Extraktion von |Vcb| relevant ist. Um die Genauigkeit zu erhöhen, argumentieren wir, dass die Subtraktion der Hintergrundsignale aus den Monte-Carlo-Simulationsdaten vermieden werden sollte, da dies Unsicherheiten mit sich bringt. Stattdessen können wir die Hintergrundsignale mithilfe der Heavy Quark Expansion (HQE) präzise berechnen. Darüber hinaus untersuchen wir die LFU-Symmetrie des SM in den semileptonischen B → Xcℓ ̄ν Zerfällen. Unsere Berechnung der LFU-Verhältnisse für das SM berücksichtigt die Masseneffekte in der Gesamtzerfallsrate. Wir liefern aktualisierte Ergebnisse für das Verzweigungsverhältnis von B → Xcτ ̄ν. Die Verzweigungsverhältnisse zwischen den Zerfällen werden verwendet, um die LFU-Hypothese zu überprüfen. Wenn es einen Unterschied zwischen den SM-Vorhersagen und den experimentellen Daten gibt, könnte dies auf das Vorhandensein von Auswirkungen der Neuen Physik hinweisen. Wir untersuchen auch die Möglichkeit eines NP-Effekts im inklusiven semileptonischen B → Xcℓ ̄ν Zerfall. Die Berechnungen beruhen auf der HQE und verwenden nicht-perturbative Parameter, die aus Zerfallsspektren extrahiert werden. Die Extraktion der HQE-Parameter erfolgt unter der Annahme des SM, aber wir untersuchen die Idee, dass NP-Effekte in den HQE-Parametern versteckt sein könnten. Das primäre Ziel ist es, den Grundstein für eine globale Fit-Analyse zu legen, die die gesamte Basis der NP-Operatoren einschließt und die Extraktion von HQE-Parametern und folglich ein aktualisiertes Ergebnis für |Vcb| mit NP-Effekten ermöglicht. Im baryonischen Zerfallskanal untersuchen wir erstmals die Möglichkeit der Lepton Flavour Violation (LFV) für den exklusiven Zerfall Λb → Λℓ−ℓ+ unter Verwendung einer vollständigen Basis von NP-Operatoren. Wir untersuchen das Verzweigungsverhältnis und die Vorwärts-Rückwärts-Symmetrie des Zerfalls quantitativ sowohl mit einem modellunabhängigen als auch mit einem modellabhängigen Ansatz. Wir betonen, dass der baryonische Zerfall die NP-Wilson-Koeffizienten anders einschränkt als der mesonische Zerfall, was das Potenzial hat, den zulässigen Parameterraum für NP-Modelle weiter einzuschränken. Wir können auch die Einschränkung der NP-Modelle verbessern, indem wir die hadronischen Unsicherheiten reduzieren, die durch die zehn unabhängigen lokalen Formfaktoren von Λb → Λ verursacht werden. Um die Kontrolle der Unsicherheiten zu verbessern, führen wir eine neue Parametrisierung für die lokalen Formfaktoren ein, bei der die Formfaktorparameter aufgrund der Verwendung von orthonormalen Polynomen begrenzt sind, die den Formfaktorbeitrag innerhalb ihrer jeweiligen dispersiven Grenzen diagonalisieren. Anhand einer Bayes’schen Analyse verfügbarer Gitter-QCD-Daten zeigen wir, dass unser Modell eine ausgezeichnete Kontrolle über die systematische Unsicherheit bei der Extrapolation in den Bereich des großen hadronischen Rückstoßes bietet. Im Rahmen des Abschlussprojekts dieser Arbeit untersuchen wir die Lichtkegelverteilungsamplitude (LCDA) des B-Mesons. Wir interessieren uns besonders für die LCDAs von drei Teilchen, die in höherdimensionalen Vakuum-Meson-Matrixelementen gefunden werden können. Diese Matrixelemente können mit zwei Parametern parametrisiert werden. Um die Parameter abzuschätzen, schlagen wir alternative diagonale QCD-Summenregeln vor. Die Summenregeln unseres neuen Ansatzes haben den Vorteil, dass sie positiv definit sind, was bedeutet, dass wir erwarten, dass die Quark-Hadron-Dualität genauer ist als die bisher untersuchten Summenregeln.