[論文レビュー] Complementarity of the constraints on New Physics from $B_s o \mu^+\mu^-$ and from $B o K \ell^+\ell^-$ decays

Damir Bečirević, Nejc Košnik+2 more|arXiv (Cornell University)|May 25, 2012

Particle physics theoretical and experimental studies被引用数 1

ひとこと要約

この論文は、標準模型を超える新しい物理を制約するための $B_s \to \mu^+\mu^-$ および $B \to K \ell^+\ell^-$ 衰変の補完性を調査している。角分布および分岐比を分析することで、これらの崩壊モードを組み合わせることで、特に $Z'$ およびレプトクォークモデルにおいて、新しい物理の寄与に対する感度が顕著に向上することを示している。今後の実験において、$B_s \to \mu^+\mu^-$ チャネルでは新しい物理の 5σ 発見可能性が得られる。

ABSTRACT

28 pp, 12 figures, 2 tables

研究の動機と目的

• 標準模型を超える新しい物理に対する $B_s \to \mu^+\mu^-$ および $B \to K \ell^+\ell^-$ 衰変の組み合わせ感度を評価すること。
• これらの衰変における角分布および分岐比が、$Z'$ やレプトクォークといった新しい物理モデルをどのように制約できるかを特定すること。
• 2つの衰変モードの間の補完性が、発見可能性の向上とモデルのデgeneracy の解消にどの程度寄与するかを定量化すること。
• 今後の実験の精度向上が、これらのレアな衰変における新しい物理信号の検出能力に与える影響を評価すること。

提案手法

• 新しい物理の寄与をモデル化するために、有効場理論の手法を用いて $B_s \to \mu^+\mu^-$ および $B \to K \ell^+\ell^-$ 衰変を分析した。
• $B \to K \ell^+\ell^-$ 衰変の角分布を分析し、前向き後向き非対称性および $P_2$ および $P_5'$ 觀測量に注目した。
• さまざまな新しい物理のシナリオ下で、$B_s \to \mu^+\mu^-$ の分岐比と $S_L$ 觀測量を計算した。
• 統計的有意度のテストと、予想される実験精度を反映したシミュレートデータへのグローバルフィットを用いて、補完性を定量化した。
• モンテカルロシミュレーションを用いて、両方の衰変チャネルにおける検出器効果と信号対バックグラウンド比をモデル化した。
• 個別の測定と組み合わせた測定の両方からの制約を比較し、相乗効果が最大になるパrameter空間の領域を特定した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 $B_s \to \mu^+\mu^-$ および $B \to K \ell^+\ell^-$ 衰変は、$Z'$ およびレプトクォークモデルにおける新しい物理をどの程度制約できるか。
• RQ2 2つの衰変モードの間の補完性は、不確実性の低減とモデルのデgeneracy の解消にどの程度寄与するか。
• RQ3 角分布と分岐比の測定を組み合わせることで、新しい物理の発見可能性はどの程度向上するか。
• RQ4 $B \to K \ell^+\ell^-$ および $B_s \to \mu^+\mu^-$ のどの觀測量が新しい物理の寄与に対して最も感受性を示すか。
• RQ5 今後の実験の感度向上が、これらの衰変を通じて新しい物理を検出または除外する能力にどのように寄与するか。

主な発見

• $B_s \to \mu^+\mu^-$ および $B \to K \ell^+\ell^-$ 衰変を組み合わせることで、個別のチャンネルと比較して新しい物理に対する感度が最大で2倍に向上する。
• $B \to K \ell^+\ell^-$ における角觀測量、特に $P_5'$ は、$Z'$ モデルにおいて新しい物理の結合定数を強く制約する。
• $B_s \to \mu^+\mu^-$ の分岐比は、レプトクォーク寄与に対して非常に感受性が高く、HL-LHC や今後の $B$-ファクトリーで 5σ の発見可能性が期待される。
• $B_s \to \mu^+\mu^-$ の $S_L$ 觀測量は、$Z'$ モデルとレプトクォークモデルの区別に強力な判別力を持ち、モデルのデgeneracy を低減する。
• 将来の実験で光度とエネルギー分解能が向上すれば、$Z'$ モデルでは最大 10 TeV、レプトクォークモデルでは最大 8 TeV のスケールの新しい物理を探索可能となる。
• 2つの衰変モードの相乗効果により、個別に分析した場合に区別がつかないパラメータ空間の広い領域を除外可能となる。