[論文レビュー] Flavor Physics in the LHC era: the role of the lattice

Jack Laiho, Enrico Lunghi+1 more|arXiv (Cornell University)|Apr 3, 2012

Particle physics theoretical and experimental studies参考文献 22被引用数 8

ひとこと要約

この論文は、最新の lattice QCD 輸入と実験データを用いて CKM 単位性三角形のグローバルフィットを実施し、標準模型に約 3σ の不一致を特定した。これは新しい物理を示唆する可能性がある。新しい物理が $B\to\tau\nu$ 衰えまたは $B$-混合に及ぶ場合、両者ともほぼ同等に支持され、新しい物理のスケールは数 hundred GeV の範囲に集中する。

ABSTRACT

We discuss the present status of global fits to the CKM unitary triangle using the latest experimental and theoretical constraints. For the required nonperturbative weak matrix elements, we use three-flavor lattice QCD averages from www.latticeaverages.org; these have been updated from Ref. [1] to reflect all available lattice calculations as of the "End of 2011". Because of the greater than 3 sigma disagreement between the extraction of |Vub| from inclusive and exclusive semileptonic b -> u l nu (l = e,mu) decays, particular emphasis is given to a clean fit in which we remove the information from these decays. Given current theoretical and experimental inputs, we observe an approximately 3 sigma tension in the CKM unitarity triangle that may indicate the presence of new physics in the quark-flavor sector. Using a model-independent parameterization of new-physics effects, we test the compatibility of the data with scenarios in which the new physics is in kaon mixing, in B-mixing, or in B -> tau nu decay. We find that scenarios with new physics in B -> tau nu decay or in B-mixing are approximately equally preferred. Finally, we interpret these results in terms contributions to Delta S = 2 and Delta B = 2 four-fermion operators. We find that the preferred scale of new physics (with Standard-Model like couplings) is in the few hundred GeV range.

研究の動機と目的

• 最新の実験的および lattice QCD 輸入を用いて、標準模型の CKM 行列が単位性三角形枠組み内で整合的であるかを検証すること。
• 長年にわたって続く CKM 単位性三角形における不一致の原因を特定し、クォークフラバー系における新しい物理の兆候を示唆すること。
• $\Delta S=2$、$\Delta B=2$、および $B\to\tau\nu$ 系の新しい物理効果をモデルに依存しない方法で分析すること。
• SM に類似した結合を仮定した場合、現在のデータと整合する新しい物理のエネルギースケールを特定すること。
• $|V_{ub}|$ が包含的および排他的崩壊から除外された場合の影響を評価すること。

提案手法

• 2011 年末時点の Lattice Averages (www.latticeaverages.org) からの最新の lattice QCD 平均値を用いて、CKM 単位性三角形のグローバルフィットを実施する。
• 特に $f_{B_d}\sqrt{\widehat{B}_d}$、$f_{B_s}\sqrt{\widehat{B}_s}$、および $\xi = f_{B_s}/f_{B_d}$ を含む三フレーバー lattice QCD の非摂動的行列要素を用い、相関を最小限に抑える。
• 有効ハミルトニアンを介して、$\Delta S=2$、$\Delta B=2$、および $B\to\tau\nu$ 演算子における新しい物理効果をモデルに依存しないパラメータ化を適用する。
• $|V_{ub}|$ 輸入を含む・含まないでフィットを実施し、不一致の原因を特定する。$\chi^2$ を用いた $p$-値を用いてフィットの適合度を評価する。
• $(\theta_d, r_d)$ 平面における許容領域を $(\Lambda, \varphi)$ 平面にマッピングし、新しい物理のスケールと位相を解釈する。
• フィットの予測を直接測定値と比較し、$\sigma$ 単位でずれの大きさを定量化する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 すべての現在の実験的および lattice 輸入を含めた場合、CKM 単位性三角形における不一致の有意性は何か？
• RQ2 $|V_{ub}|$ が包含的および排他的崩壊から除外された場合、グローバルフィットの整合性にどのような影響を与えるか？
• RQ3 $K$-混合、$B$-混合、$B\to\tau\nu$ 衰えのうち、どの新しい物理のシナリオが観測された不一致と最も整合するか？
• RQ4 観測された不一致が $\Delta S=2$ および $\Delta B=2$ の四フェルミオン演算子への寄与によるものである場合、新しい物理の推奨されるエネルギースケールは何か？
• RQ5 観測された乖離は、SM に類似した結合を持つ最小限のフラバー破れ新しい物理モデルで説明可能か？

主な発見

• グローバルフィットでは、完全な標準模型に対して $p$-値が 6.2% となり、やや不一致があるが、明確な不整合ではない。
• 単位性三角形では約 3σ の不一致が観測され、主に包含的および排他的崩壊における $|V_{ub}|$ の不一致に起因する。
• $|V_{ub}|$ をフィットから除外すると、$p$-値は 3.6% に低下し、$S_{\psi K}$ の予測は 3.0$\sigma$ ずれる。これは依然として不一致が残っていることを示している。
• 新しい物理が $B\to\tau\nu$ 衰えまたは $B$-混合に及ぶ場合、両者ともほぼ同等に支持され、$p$-値はそれぞれ 0.33 および 0.39 である。
• SM に類似した結合を仮定した場合、新しい物理の推奨されるスケールは、$\Delta B=2$ および $\Delta S=2$ 演算子へのフィットに基づき、数 hundred GeV の範囲にある。
• $K$-混合における新しい物理は不利益であり、不一致を解消できず、悪い $p$-値を示す。