[論文レビュー] BR(Bs to mu+ mu-) as an electroweak precision test

Diego Guadagnoli, Gino Isidori|arXiv (Cornell University)|Feb 15, 2013

Particle physics theoretical and experimental studies参考文献 35被引用数 26

ひとこと要約

この論文は、有効場理論のアプローチを用いて、$B_s \to \mu^+\mu^-$ の希少崩壊が、特にダウンクォークへのZボソン結合の修正を含む新しい物理の電弱的高精度テストとして非常に鋭敏であることを示している。最小フレーバー保存（MFV）または一般部分的縮合（PC）の下では、現在のLHCbによる $B(B_s \to \mu^+\mu^-)$ の測定値が、左巻き結合 $δ g_L$ に対してZピーク観測量と同等の制約をもたらしている。一方、右巻き結合 $δ g_R$ については、$B_s \to \mu^+\mu^-$ からの制約がZ崩壊からのものよりも2個以上の数量級も強く、特にPCモデルにおいて顕著である。

ABSTRACT

Using an effective-theory approach, we analyze the impact of BR(Bs to mu+ mu-) in constraining new-physics models that predict modifications of the Z-boson couplings to down-type quarks. Under motivated assumptions about the flavor structure of the effective theory, we show that the bounds presently derived from BR(Bs to mu+ mu-) on the effective Z-boson couplings are comparable (in the case of minimal flavor violation) or significantly more stringent (in the case of generic partial compositeness) with respect to those derived from observables at the Z peak.

研究の動機と目的

• Zボソンのダウンクォークへの結合に及ぼす新しい物理の影響を、希少崩壊 $B_s \to \mu^+\mu^-$ を用いて探査すること。
• Zピークでの電弱的高精度観測量から得られる有効Zボソン結合の制約と、$B_s \to \mu^+\mu^-$ から得られる制約を比較すること。
• 最小フレーバー保存（MFV）と一般部分的縮合（PC）の仮定に基づく、フレーバー対角およびフレーバー変換結合の相関に及ぼすフレーバー構造の仮定の影響を評価すること。
• $B_s \to \mu^+\mu^-$ が、$Z \to b\bar{b}$ の結合に影響を与える新しい物理の影響を、Zピークデータよりもきめ細かく制約できるかどうかを同定すること。

提案手法

• 次元6のオペレーターを用いて、ダウンクォークへのZボソン結合のずれを記述する有効場理論フレームワークを用いる。
• 有効ラグランジアンには、$B_s \to \mu^+\mu^-$ および $Z \to b\bar{b}$ の木レベルの寄与を生成するオペレーター $O^{1L}_{ij}, O^{1R}_{ij}, O^{2L}_{ij}$ が含まれる。
• フレーバー構造は2つの仮定に基づいてモデル化される：MFVでは、結合はCKM行列とヨウク行列を介して相関し、PCでは、結合が複合状態の混合パラメータに比例する。
• $\delta g_{L,R}^{ij}$ の制約は、$B(B_s \to \mu^+\mu^-)$ と $R_b$、$A^b_{\text{FB}}$、$\alpha_s(M_Z)$ などのZピーク観測量に結びつけることで導出される。
• 標準模型（SM）の予測とずれを計算するために、$m_t = 173.2$ GeV、$\alpha_s(M_Z) = 0.1184$、$M_H = 125$ GeV といった最新のSM入力値を用いる。
• 将来の実験的精度向上（例：$\sigma = 0.3 \times 10^{-9}$）を想定し、$\delta g_{L,R}$ に対する将来の制約を推定する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 Zボソンのダウンクォークへの結合の修正に関する制約は、$B_s \to \mu^+\mu^-$ から得られるものとZピークの高精度観測量から得られるものとでは、どのように比較されるか？
• RQ2 MFVとPCのどちらのフレーバー構造仮定の下で、$B_s \to \mu^+\mu^-$ が $\delta g_L$ および $\delta g_R$ に対してより強い制約を提供するか？
• RQ3 $B_s \to \mu^+\mu^-$ は、Zピークデータでは検出できないほどの微小な新しい物理効果（$Z \to b\bar{b}$ の結合に影響を与えるもの）を探査できるか？
• RQ4 将来の実験的精度が向上した場合、$B_s \to \mu^+\mu^-$ による $\delta g_L$ および $\delta g_R$ の感度はどの程度になるか？

主な発見

• 現在の $B(B_s \to \mu^+\mu^-)$ の実験的制約は、3.5σの信号を伴い、$3.2^{+1.5}_{-1.2} \times 10^{-9}$ であるが、MFV仮定の下では、Zピーク観測量からの制約と同等の $\delta g_L$ に対する制約をもたらしている。
• 部分的縮合フレームワークでは、$B_s \to \mu^+\mu^-$ からの $\delta g_R$ に対する制約が、Z崩壊からのものよりも2個以上の数量級も強く、特に顕著である。
• 将来の実験誤差が $\pm 0.3 \times 10^{-9}$ と予想される場合、PCモデルにおける95%信頼区間の $\delta g_R$ の制約は $< 3.3 \times 10^{-5}$ となり、現在の制約を著しく上回る。
• MFVモデルにおける有効スケール $\Lambda$ に対する $\delta g_L$ の制約は $\Lambda > 2.6$ TeV であり、PCモデルでは $m_\rho > (g_\rho \epsilon^q_3) \times 2.6$ TeV となる。
• PCモデルにおける $\delta g_R$ の制約は $m_\rho > 0.23 \, \text{TeV} / \epsilon^q_3$ であり、$\epsilon^q_3 \ll 1$ の場合に重要となり、このとき $\delta g_L$ の制約は弱まる。
• $B_s \to \mu^+\mu^-$ に顕著なずれが観測されない場合でも、MFV仮定における $\delta g_R$ の制約はZピークの制約を上回るようになる。