[論文レビュー] B Physics Theory for Hadron Colliders

Gerhard Buchalla|ArXiv.org|Sep 3, 2008

Particle physics theoretical and experimental studies参考文献 31被引用数 4

ひとこと要約

本稿は、ハドロン衝突型加速器におけるB物理学の包括的な理論的枠組みを提示する。二体ハドロン的B崩壊およびレア過程に焦点を当て、因子化定理、QCD和則、格子QCD、およびフレーバー対称性を組み合わせることで、非摂動的QCD効果を制御し、$\sin 2\beta$、$B_s \to \mu^+\mu^-$、$B \to K^*\ell^+\ell^-$といった観測量を通じて標準模型の高精度検証および新物理の探索を可能にする。特に、分岐比およびCP非対称性に関する予測は、実験的制約と優れた一致を示している。

ABSTRACT

A short overview of theoretical methods for B physics at hadron colliders is presented. The main emphasis is on the theory of two-body hadronic B decays, which provide a rich field of investigation in particular for the Tevatron and the LHC. The subject holds both interesting theoretical challenges as well as many opportunities for flavor studies and new physics tests. A brief review of the current status and recent developments is given. A few additional topics in B physics are also mentioned.

研究の動機と目的

• ハドロン衝突型加速器における二体ハドロン的B崩壊を体系的に記述する理論的アプローチの構築。
• 因子化、格子QCD、および光線和則といった補完的ツールを用いて、B崩壊における非摂動的QCD効果を制御すること。
• CKMユニタリティ三角形の高精度検証および、稀でCP対称性が破れるB崩壊における新物理への感受性を高めること。
• ハドロン的不確かさが最小限に抑えた観測量（例：$B_s \to \mu^+\mu^-$および$B \to K^*\ell^+\ell^-$）の特定。
• テバトロンおよびLHCにおける実験的探索を支援するため、分岐比および非対称性に関する正確な理論的予測を提供すること。

提案手法

• 弱崩壊を$ m_b $スケールで記述するため、再生群改善摂動論で計算されたウィルソン係数を用いた有効ハミルトニアンを用いる。
• 重いクォーク極限（$ m_b \gg \Lambda_{\text{QCD}} $）における因子化定理を適用し、ハード、ハードコリネア、ソフトな寄与を分離する。
• 光線和則（LCSR）を用いて、$ B \to \pi $ のような高反動遷移の形因子を計算する。
• 格子QCDを用いて、崩壊定数（$ f_B $）やバッグパラメータ（$ B_B $）などの非摂動的行列要素を計算する。
• 摂動計算と組み合わせたフレーバー対称性（$ SU(2) $、$ SU(3) $）を用いて、$ SU(3) $の破れ効果を推定する。
• ソフトコリネア有効理論（SCET）を用いて、$ A_{\text{FB}} $のゼロ位置のような形因子比の比において、ハドロン的不確かさが相殺されることを保証する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 因子化や和則といった理論的ツールを用いて、二体ハドロン的B崩壊における非摂動的QCD効果を体系的に制御する方法は何か？
• RQ2 レア崩壊（例：$ B_s \to \mu^+\mu^- $）における理論的精度はどの程度達成可能であり、新物理に対してどの程度感受性を示すか？
• RQ3 $ B \to K^*\ell^+\ell^- $における前向き後ろ向き非対称性のゼロ位置は、SCETによるハドロン的不確かさの相殺によって高精度に予測可能か？
• RQ4 $ B_s $-混合および$ B_s \to \psi\phi $崩壊は、標準模型からのずれをどの程度まで探査できるか？
• RQ5 どのB崩壊モードが、ハドロン衝突型加速器における高精度なフレーバー物理学のためのクリーニングなシグネチャを提供するか？

主な発見

• 分岐比$ B_s \to \mu^+\mu^- $は$ 3.9 \times 10^{-9} $と予測され、$ B_s $の崩壊定数$ f_{B_s} $に強く依存するため、新物理の主要な探査手段となる。
• $ B \to K^*\ell^+\ell^- $における前向き後ろ向き非対称性$ A_{\text{FB}}(q^2) $のゼロ位置は、短距離ウィルソン係数のみに依存して予測可能であり、SCETによってハドロン的不確かさが相殺される。
• $ B \to K^*\ell^+\ell^- $の理論的予測は、$ q^2_0 $式における形因子比の相殺のおかげで頑健であり、新物理の高精度検証が可能である。
• $ B \to \rho\rho $の分岐比は$ \sim 10^{-6} $と予測され、実験的測定と整合的であり、ハドロン的崩壊振幅のベンチマークとしての役割を果たす。
• $ B_s \to \mu^+\mu^- $崩壊は理論的に非常にクリーニングであり、新物理に対して非常に感受性が高く、現在の実験的上限は90%信頼水準で$ 47 \times 10^{-9} $である。
• $ \sin 2\beta $による$ B_d \to \psi K_S $の理論的制御は、ハドロン的不確かさがほぼ完全に除去されており、CKMユニタリティ三角形の決定のためのゴールドプレート観測量である。