[論文レビュー] Correlating new physics signals in $B o D^{(*)} τν_τ$ with $B o τν_τ$

Soumitra Nandi, Sunando Kumar Patra+1 more|arXiv (Cornell University)|May 23, 2016

Particle physics theoretical and experimental studies被引用数 14

ひとこと要約

本稿では、$B\to D^{(*)}\tau\nu_{\tau}$ における新しい物理の信号と純粋なレプトン衰え $B\to\tau\nu_{\tau}$ を関連付けるために、$\mathcal{R}_{\tau}(D^{(*)}) = \mathcal{R}(D^{(*)}) / \mathcal{B}(B\to\tau\nu_{\tau})$ という新しい観測量を提案する。この手法により、$\tau$ パarticle 識の系統的誤差が相殺され、系統的不確かさが低減される。解析の結果、標準模型と整合的であることが示され、新しい物理が現在の実験的誤差に隠されている可能性を示唆している。また、今後の新しい物理探査において、$\mathcal{B}(B\to\tau\nu_{\tau})$ の高精度測定の重要性が強調されている。

ABSTRACT

Semileptonic and purely leptonic decays of B meson to $τ$, such as $B o D^{(\ast)}τν_τ$ and $B oτν_τ$ are studied. Recognizing that there already were some weak hints of possible deviations from the SM in the measurements of $\mathcal{B}(B oτν_τ)$ by \Babar~and Belle and the fact that detection of the $τ$ also occurs in the measurements of $B o D^{(\ast)}τν_τ$, we stress the importance of joint studies of these processes, whenever possible. For this purpose, as an illustration, we introduce the observable, $\mathcal{R}(D^{(*)})/\mathcal{B}(B oτν_τ)$ where, for one thing, the unknown systematics due to $τ$ identification are expected to largely cancel. We show that all measurements of this observable are consistent with the existing data, within somewhat largish experimental errors, with the predictions of the SM. We stress that precise experimental measurement and comparison with theory of the branching ratio for $B o τν_τ$ is extremely important for a reliable search of new physics. Furthermore, in view of the anticipated improved precision in experiments in the next few years, in addition to $\mathcal{R}(D^{(*)})$, host of other ratios analogous to $\mathcal{R}(D^{(*)})/\mathcal{B}(B o τν_τ)$ in the SM are suggested for lattice calculations as well, so that for more stringent tests of the SM, correlations in lattice calculations can be properly taken into account to enhance precision.

研究の動機と目的

• 新しい物理探査における系統的不確かさを低減するため、$B\to D^{(*)}\tau\nu_{\tau}$ と $B\to\tau\nu_{\tau}$ の比を用いて $\tau$ 識別誤差を相殺する。
• 標準模型からの $\mathcal{R}(D^{(*)})$ のずれが、未知の系統的誤差や新しい物理のキャンセレーションによって隠されている可能性を評価する。
• 新しい物理を信頼性高く探査するためには、$\mathcal{B}(B\to\tau\nu_{\tau})$ の高精度実験的測定が不可欠であることを強調する。
• 将来の標準模型の検証において相関を適切に扱うために、類似の格子計算による比（例：$R_{\tau}^{M^{(*))}$）を提案する。

提案手法

• 標準模型との整合性を検証するため、$\mathcal{R}_{\tau}(D^{(*)}) = \mathcal{R}(D^{(*)}) / \mathcal{B}(B\to\tau\nu_{\tau})$ という観測量を導入し、$B\to D^{(*)}\tau\nu_{\tau}$ と $B\to\tau\nu_{\tau}$ の間で $\tau$ 識別誤差を相殺する。
• BaBar、Belle、LHCb の既存データを分析し、$\mathcal{R}_{\tau}(D^{(*)})$ が標準模型と整合的であるかを検証する。
• タイプ-II 2HDM をモデル依存的に分析し、$\tan\beta$–$m_{H^+}$ 平面上で $\mathcal{R}_{\tau}(D^{(*)})$ と $\mathcal{B}(B\to\tau\nu_{\tau})$ からの制約を比較する。
• 新しい物理を含む包含型最終状態 $b\to X_c\tau\nu_{\tau}$ を探査するため、$R_{\tau}(X_c)$ などの新たな包含比を提案する。
• $B$、$B_s$ からの $R_{\tau}^{M^{(*)}}$ などの類似比の格子計算を提案し、相関を適切に扱い、精度を向上させる。
• Belle II の予想されるデータ量増加（25〜50倍）を根拠に、$\mathcal{B}(B\to\tau\nu_{\tau})$ 及び関連観測量の感度向上を主張する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 比 $\mathcal{R}_{\tau}(D^{(*)}) = \mathcal{R}(D^{(*)}) / \mathcal{B}(B\to\tau\nu_{\tau})$ は、新しい物理探査における系統的不確かさを低減できるか？
• RQ2 BaBar の $\mathcal{R}(D^{(*)})$ の観測値が $\mathcal{B}(B\to\tau\nu_{\tau})$ と組み合わせた場合、標準模型と整合的であるか？
• RQ3 $\mathcal{R}_{\tau}(D^{(*)})$ 内で新しい物理の寄与がキャンセルされる可能性はどの程度高く、信号が隠蔽されるおそれがあるか？
• RQ4 タイプ-II 2HDM のパrameter 空間に対する $\mathcal{R}_{\tau}(D^{(*)})$ からの制約は何か？また、$\mathcal{B}(B\to\tau\nu_{\tau})$ からの制約と比較するとどうか？
• RQ5 類似比（例：$R_{\tau}^{M^{(*)}}$）の格子計算は、標準模型の検証における精度をどのように向上させ得るか？

主な発見

• $\mathcal{R}_{\tau}(D^{(*)})$ は、BaBar が報告した $\mathcal{R}(D^{(*)})$ のずれとは対照的に、実験的誤差の範囲内で標準模型と整合的であることが示された。
• タイプ-II 2HDM において $m_{H^+} > 500~\text{GeV}$ かつ $\tan\beta < 25$ の領域は、依然として妥当であり、BaBar が 99.8% 確信区間で除外した結果とは矛盾する。
• $\mathcal{R}_{\tau}(D^{(*)})$ と $\mathcal{B}(B\to\tau\nu_{\tau})$ からの $\tan\beta$–$m_{H^+}$ 平面への制約は一致しており、後者の測定が信頼性の高いプローブであることが示された。
• $\mathcal{B}(B\to\pi\tau\nu_{\tau})/\mathcal{B}(B\to\tau\nu_{\tau})$ については、上限しか得られておらず、$\tan\beta \approx 100$ の領域は依然として許容される。
• 包含比 $R_{\tau}(X_c)$ が新しい物理探査のための有効な手段として提案され、2HDM-II のパrameter 空間に対する制約は $\mathcal{B}(B\to\tau\nu_{\tau})$ に支配されている。
• 将来的な Belle II や LHCb の高精度測定により不確かさが著しく低減され、$\mathcal{B}(B\to\tau\nu_{\tau})$ は新しい物理探査の重要な基準点となるだろう。