[論文レビュー] Heavy Flavor Physics

S. Stone|arXiv (Cornell University)|Sep 15, 2011

Particle physics theoretical and experimental studies被引用数 4

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解明するための鍵となる重いフレーバー物理学をレビューしており、BおよびDメソンの崩壊の精密測定、$\overline{B}_s^0 \to \mu^+\mu^-$ などのレア過程、リーパーのフレーバー不変性の破れおよびマヨラナニュートリノの探索に焦点を当てる。新しい物理のスケールに関する更新された上限が提示され、$B^- \to \tau^- \overline{\nu}$ の分岐比に顕著な不一致が特定され、LHCbとBelle IIが今後の発見の中心的役割を果たすことが強調されている。

ABSTRACT

The main purpose of Heavy Flavor experiments is to discover physics beyond the Standard Model, or characterize it, should it be found elsewhere. Thus, current limits on New Physics (NP) are reviewed. New results are presented, some involving processes that could show NP even with current data. Specific topics include the CKM element |Vub|, the forward-backward asymmetry in B -> K* mu+ mu-, b-hadron fractions at the LHC, B(Bs -> mu+ mu-), first observations of several Bs and Bc decay modes, the X(4140), new b-baryons and their decays, searches for Majorana neutrinos, and Lepton Flavor Violation.

研究の動機と目的

• 重いフレーバー物理学が、レア崩壊およびフレーバー不変性の破れ過程の精密測定を通じて、標準模型を超える新しい物理にどれほど感度を持つのかを評価すること。
• 有効場理論と量子ループ補正を用いて、新しい物理スケールの現在の実験的上限を評価すること。
• 第四世代のフェルミオンや異常な結合定数の可能性を示唆する、CKM行列要素および分岐比の不一致を特定すること。
• CDF、D0、BaBar、Belle、LHCb、ATLAS/CMSからの新しい実験的結果を提示すること。特に、レア崩壊、$X(4140)$、$B_c^-$、および$b$-バリオンに関する結果。
• 特にMEGとLHCbのデータを用いて、リーパーのフレーバー不変性の破れおよびマヨラナニュートリノ結合定数に対する厳密な上限を設定すること。

提案手法

• ループ誘導過程を通じて新しい物理スケール $\Lambda_i$ を制約するため、$\mathcal{L}_{\text{eff}} = \mathcal{L}_{\text{SM}} + \sum_i \frac{c_i}{\Lambda_i} \mathcal{O}_i$ を用いた有効場理論を用いる。
• 木図式およびループ図式の崩壊からの制約を分析するため、CKM行列のWolfensteinパrametrizationを適用する。
• 標準模型の予測をテストし、NPの境界を抽出するために、$b \to s\gamma$、$B^- \to \tau^- \overline{\nu}$、$\overline{B}_s^0 \to \mu^+\mu^-$、$B^- \to \pi^+\mu^-\mu^-$ の実験的データを用いる。
• 運動量再構成と効率補正を用いて、$B$ 崩壊における二重リーパー最終状態を分析し、仮想的または実際の中間状態としてのマヨラナニュートリノの探索を行う。
• MEG実験における時間的・エネルギー的に相関する $e^+\gamma$ 最終状態を用いて、$\mu^+ \to e^+\gamma$ の探索を行い、90%信頼水準での統計的上限を適用する。
• LHCb、Belle、CDF、CMS、ATLASの複数の実験データを統合することで、レア崩壊および新しい物理の信号に対する感度を向上させる。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 レア崩壊、特に $b \to s\gamma$ のようなループ誘導過程から、重いフレーバー崩壊における新しい物理スケールの現在の実験的上限は何か？
• RQ2 $B^- \to \tau^- \overline{\nu}$ および $\sin 2\beta$ の測定された分岐比は、標準模型の予測からどの程度ずれており、それが新しい物理に何を示唆するか？
• RQ3 $\mu \to e\gamma$ および $B \to \ell^+\ell^-$ 崩壊におけるリーパーのフレーバー不変性の破れの最新の上限は何か？また、それらはマヨラナニュートリノモデルをどの程度制約するか？
• RQ4 $\overline{B}_s^0 \to \mu^+\mu^-$、$X(4140)$、$B_c^-$ 崩壊の新しい測定結果は、フレーバー変換型中性荷電現在の新しい物理の探索にどのように寄与するか？
• RQ5 LHCbとBelle IIの新しい物理に対する感度は何か？また、アップグレードされたデータレートは、発見可能性をどのように向上させるか？

主な発見

• 測定された $B^- \to \tau^- \overline{\nu}$ の分岐比は、標準模型の予測を2倍以上上回っており、2σ以上の不一致を示しており、新しい物理の兆候である可能性がある。
• $b \to s\gamma$ のデータに基づき、$\tan\beta = 2$ の2HDMモデルは、電荷付きヒッグスの質量が316 MeV未満の場合、90%信頼水準で除外される。
• LHCbは、$\mathcal{B}(B^- \to \pi^+\mu^-\mu^-)$ について90%信頼水準で $<4.5 \times 10^{-8}$ の上限を設定し、マヨラナニュートリノ結合定数を制約している。
• MEG実験は、2009年と2010年のデータを統合し、$\mathcal{B}(\mu^+ \to e^+\gamma)$ について90%信頼水準で $2.4 \times 10^{-12}$ の厳密な上限を設定した。
• $\overline{B}_s^0 \to \mu^+\mu^-$、$X(4140)$、$B_c^-$ 崩壊モードの新しい観測が報告され、フレーバー変換型中性荷電現在における新しい物理の可能性に影響を与える。
• $\Lambda_b^0 \to \Lambda \mu^+\mu^-$ 崩壊はCDFとLHCbによって観測され、5.1σの有意性を示しており、CP対称性の破れおよびNP研究の新たなチャンネルを提供している。