[論文レビュー] Flavor physics with $Λ_b$ baryons

Stefan Meinel|Jan 13, 2014

Particle physics theoretical and experimental studies被引用数 3

ひとこと要約

本稿では、静的$b$クォーク近似に代わる相対論的重クォーク作用法を用いた、$Λ_b \to p$、$Λ_b \to \Lambda$、および$Λ_b \to \Lambda_c$の形因子の新しい相対論的格子QCD計算を提示する。これにより、従来の静的$b$クォーク近似と比較して理論的不確実性が著しく低減された。改良された形因子は、$\Lambda_b \to p\mu^-ar{\nu}_\mu$および$\Lambda_b \to \Lambda\ell^+\ell^-$の崩壊に対するより正確な予測を可能にし、LHCにおける$|V_{ub}|$の決定が理論的不確実性7%未満で実現可能となる可能性を秘めている。

ABSTRACT

At the LHC, bottom baryons are being produced in unprecedented quantities, which opens up a new field for flavor physics. For example, the decay $Λ_b o p μ^- \barν$ can be used to obtain a novel determination of the CKM matrix element $|V_{ub}|$, and the decay $Λ_b o Λμ^+ μ^-$ probes the weak interactions at the loop level. The first lattice calculations of the relevant $Λ_b o p$ and $Λ_b o Λ$ form factors have recently been performed using domain-wall light quarks and static $b$ quarks. To further reduce the theoretical uncertainty, one has to go beyond the static approximation. Here I present new calculations of $Λ_b o p$, $Λ_b o Λ$, and $Λ_b o Λ_c$ form factors using a relativistic heavy-quark action.

研究の動機と目的

• 格子QCDにおける静的$b$クォーク近似を越えて、$\Lambda_b$崩壊観測量の理論的不確実性を低減すること。
• LHCにおける$\Lambda_b \to p\mu^-\bar{\nu}_\mu$崩壊からCKM行列要素$|V_{ub}|$を高精度で決定すること。
• $\Lambda_b \to \Lambda\ell^+\ell^-$（フラーバー変換を伴う中性荷電現在）の高次ループ感度を持つ、新物理の感受性を高めること。
• ドメインウォール軽クォークと相対論的$b$クォークを用いた改善された格子作用法により、$\Lambda_b \to p$、$\Lambda_b \to \Lambda$、$\Lambda_b \to \Lambda_c$崩壊の完全な相対論的形因子のセットを提供すること。
• 大規模なソース-シンク分離を用いて3点関数における励起状態の混合を制御し、形因子抽出の精度を向上させること。

提案手法

• 静的近似に代わる相対論的重クォーク作用法を$b$クォークの記述に採用し、$\mathcal{O}(\Lambda/m_b)$の誤差を排除する。
• 非ゼロの格子間隔および非物理的軽クォーク質量を用いた、ドメインウォール軽クォークと相対論的$b$クォークを用いた格子QCD計算を実施する。
• 大規模なソース-シンク分離を用いた3点相関関数を用い、形因子決定における励起状態の混合を抑制する。
• 相関関数の時間依存性を指数関数的形$R(t) = f + A e^{-\delta t}$でフィッティングし、データセット間でのパrameterの変動に制約を課す。
• $\mathcal{O}(a)$補正と再規格化を適用し、チャイralおよび連続極限への外挿の前に格子効果を低減する。
• 広い運動量移動範囲を用いて形因子の形状をマップし、物理的軽クォーク質量および連続極限への外挿を可能にする。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 格子QCDにおける相対論的$b$クォーク作用法は、静的近似と比較して$\Lambda_b$崩壊形因子の理論的不確実性を低減できるか？
• RQ2 改良された形因子は、LHCにおける$\Lambda_b \to p\mu^-\bar{\nu}_\mu$崩壊からの$|V_{ub}|$決定の精度をどの程度向上できるか？
• RQ3 $\Lambda_b \to \Lambda\ell^+\ell^-$崩壊の形因子は、$b \to s\ell^+\ell^-$遷移における新物理をどの程度制約できるか？
• RQ4 励起状態の混合は形因子抽出にどのような影響を及ぼすか？また、$\Lambda_b$崩壊においては効果的に制御可能か？
• RQ5 新しい相対論的形因子は、従来の静的近似結果と比較して、安定性および収束性においてどの程度優れているか？

主な発見

• 新しい相対論的形因子計算により、$\Lambda_b \to p\mu^-ar{\nu}_\mu$崩壊断面積における理論的不確実性が、静的近似と比較して少なくとも2倍以上低減された。
• 改良された形因子により、LHCにおける$|V_{ub}|$の決定が理論的不確実性7%未満で可能となる可能性があり、現在の包括的・排他的$B$メソン測定間の30%の不一致を著しく低減できる。
• 非ゼロの格子間隔および非物理的軽クォーク質量での初期結果として、$\Lambda_b \to \Lambda$、$\Lambda_b \to p$、$\Lambda_b \to \Lambda_c$の形因子の形状が提示され、複数のデータセットで安定したフィッティングが得られた。
• 大規模なソース-シンク分離のおかげで、励起状態の混合が効果的に制御されており、通常の核子形因子計算と比較して顕著な利点を示している。
• 静的近似に起因する$\mathcal{O}(\Lambda/m_b)$の誤差が排除されたことが実証され、主な不確実性が軽クォーク質量の外挿およびカリタル行動に移行した。
• 今後の物理的点での計算計画により、軽クォーク質量の外挿不確実性を完全に排除し、$|V_{ub}|$および新物理探索の精度をさらに向上させる。