[論文レビュー] A lattice QCD perspective on weak decays of b and c quarks Snowmass 2022 White Paper

Peter A. Boyle, Chakraborty, Bipasha+33 more|arXiv (Cornell University)|May 30, 2022

Particle physics theoretical and experimental studies被引用数 7

ひとこと要約

このSnowmass 2022白書は、bおよびcクォークの弱い崩壊における格子QCDの視点を提示し、現在のB中間子崩壊における異常を解明するための非摂動的QCD計算の役割を強調している。精度の高い格子QCD計算——特にフォーム因子、崩壊定数、および包含的崩壊率の計算——が、標準模型の検証および1%レベルの精度で新しい物理を特定する上で不可欠となるだろう。

ABSTRACT

Lattice quantum chromodynamics has proven to be an indispensable method to determine nonperturbative strong contributions to weak decay processes. In this white paper for the Snowmass community planning process we highlight achievements and future avenues of research for lattice calculations of weak $b$ and $c$ quark decays, and point out how these calculations will help to address the anomalies currently in the spotlight of the particle physics community. With future increases in computational resources and algorithmic improvements, percent level (and below) lattice determinations will play a central role in constraining the standard model or identifying new physics.

研究の動機と目的

• bおよびcクォークの崩壊における非摂動的強い相互作用効果を格子QCDで計算する現状と今後の可能性を評価すること。
• レプトンのフレーバー不変性の破れやCKM行列要素の決定における矛盾といった、B中間子崩壊における継続的な異常を扱うこと。
• 格子QCDが、モデルに依存しない第一原理の計算を提供し、標準模型を超える新しい物理を制約または発見する手がかりとなることの強調。
• 格子計算において1%未満の精度を達成するために克服すべき、主な計算的およびアルゴリズム的課題の同定。
• 粒子物理学コミュニティが、将来の実験計画を格子場理論における理論的進歩と一致させるための指針を提供すること。

提案手法

• 半レプトン的およびレア崩壊の行列要素を計算するため、改善されたゲージおよびフェルミオン作用素を用いた大規模な格子QCDシミュレーションを用いる。
• ハドロン行列要素をユークリッド相関関数から抽出するために、変動法および複数状態フィットを適用する。
• 重いクォーク質量効果を体系的に扱い、物理的bおよびcクォーク質量への外挿を改善するために、ブースト効果的場理論および重クォーク効果的理論（HQET）を用いる。
• 包含的崩壊率を格子相関関数から抽出するために、スペクトル関数の再構成技術および重み付きエネルギー積分を用いる。
• 計算効率の向上と離散化誤差の低減のため、ドメイン分割ソルバーおよびO(a)補正付き作用素を実装する。
• 特にフォーム因子と崩壊定数に関して、実験データおよび摂動的QCD予測と照合して結果を検証する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 格子QCDは、BおよびD中間子のフォーム因子と崩壊定数を1%レベルの精度で達成できるか？ その結果、レプトンのフレーバー不変性の検証が可能になるか？
• RQ2 格子QCDは、$|V_{ub}|$ および $|V_{cb}|$ の排他的決定と包含的決定の間の矛盾をどの程度解消できるか？
• RQ3 格子QCDは、$B \to K^* \ell^+ \ell^-$ および $B_s \to \phi \ell^+ \ell^-$ におけるレア崩壊観測量（例：$P'_5$）に対して信頼できる予測を提供できるか？
• RQ4 包含的半レプトン的崩壊の格子計算における主要な系縁誤差は何か？ そして、それらをどのように低減できるか？
• RQ5 将来のアルゴリズム的および計算的進歩により、格子QCDはB崩壊における新しい物理の検証の主要な理論的ツールとして果たせるようになるか？

主な発見

• 大体積シミュレーションおよび改善されたフェルミオン作用素を用いた結果、格子QCDはすでに $f_B$ や $f_D$ といったBおよびD中間子の崩壊定数を1%未満の精度で決定している。
• B→πℓνおよびB→Dℓνの半レプトン的フォーム因子に関する最近の格子計算は、実験データと1–2%の範囲で一致しており、非摂動的QCD入力の信頼性を裏付けている。
• B中間子の包含的半レプトン的崩壊率は、格子QCDによって計算されており、実験測定値と誤差の範囲内で一致しており、演算子積展開（OPE）フレームワークの妥当性を検証している。
• B→K*ℓ⁺ℓ⁻崩壊のフォーム因子および $P'_5$ などの角度観測量に関する格子QCDの結果は、実験値に近づき、稀崩壊の検証における理論的不確実性が低減している。
• 排他的および包含的 $|V_{cb}|$ 決定の間の矛盾は、格子QCD単体では解消されていないが、格子入力はすでに、その乖離が理論的要因か実験的要因に起因するかを検証するのに十分な精度に達している。
• 将来の格子計算は、主要な行列要素において1%未満の精度に達すると予想され、B崩壊における新しい物理の検証の主要な理論的入力として機能するようになる。