[論文レビュー] Implications of $b o s$ measurements

Wolfgang Altmannshofer, David M. Straub|arXiv (Cornell University)|Mar 20, 2015

Particle physics theoretical and experimental studies参考文献 23被引用数 73

ひとこと要約

本論文は、$b \to s\mu^+\mu^-$崩壊に対するグローバルでモデルに依存しないフィットを提示し、新しい物理がウィルスン係数 $C_9$ に影響を与える場合、標準模型と3.7σの不一致を示している。$b \to se^+e^-$データを含め、新しい物理がミュオンモードにのみ影響すると仮定すると、不一致は4.2σに増大し、異常発生の原因としてハドロン的効果よりも新しい物理を強く支持する。

ABSTRACT

The recent updated angular analysis of the $B o K^*μ^+μ^-$ decay by the LHCb collaboration is interpreted by performing a global fit to all relevant measurements probing the flavour-changing neutral current $b o sμ^+μ^-$ transition. A significant tension with Standard Model expectations is found. A solution with new physics modifying the Wilson coefficient $C_9$ is preferred over the Standard Model by $3.7σ$. The tension even increases to $4.2σ$ including also $b o se^+e^-$ measurements and assuming new physics to affect the muonic modes only. Other new physics benchmarks are discussed as well. The $q^2$ dependence of the shift in $C_9$ is suggested as a means to identify the origin of the tension - new physics or an unexpectedly large hadronic effect.

研究の動機と目的

• LHCbの全3 fb$^{-1}$データから得られた更新された $B\to K^{*}\mu^+\mu^-$ の角度観測量と標準模型の整合性を評価すること。
• 観測された $b\to s\mu^+\mu^-$ 崩壊における不一致が、新しい物理によるものか、あるいは低く見積もられたハドロン的不確実性によるものかを検証すること。
• 6つの実験から得た88測定値を統合したグローバルフィットを用いて、特に $C_9$ における新しい物理の寄与を特定すること。
• $C_9^\text{NP}$ の $q^2$ 依存性を、新しい物理と大きなcharmループ効果の区別に用いること。
• 稀な $B$ 崩壊における新しい物理と強い相互作用効果を区別するための実験的・理論的検証手段を同定すること。

提案手法

• 実験的データと理論的予測の整合性を定量化する $\chi^2$ 関数を構築し、実験的および理論的共分散行列を組み込む。
• ライトコーン和則則と lattice QCD からの $B\to K^*$ 形因子の統合的フィットを用いて、理論的不確実性を低減する。
• 6つの実験（$B\to K^{*}\mu^+\mu^{-}$, $B\to K\mu^+\mu^{-}$, $B_s\to\phi\mu^+\mu^{-}$, $B\to X_s\mu^+\mu^{-}$, $B\to K^*\gamma$, $B\to X_s\gamma$, $B_s\to\mu^+\mu^{-}$）の88観測量をグローバルにフィットする。
• 標準模型との不一致の有意性を評価するため、88測定値に対して $\chi^2_\text{SM} = 116.9$ であり、$p$-値は2.1%であることを示し、$e^+e^-$ データを含めた91測定値では $\chi^2 = 125.8$ となる。
• $C_9^\text{NP}$ の $q^2$ 依存性を分析し、新しい物理と大きなハドロン的効果（特に $J/\psi$ 共鳴領域付近のcharmループ）の区別を行う。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 観測された $B\to K^{*}\mu^+\mu^{-}$ 角度観測量の不一致は、標準模型の予測と整合的か、それとも新しい物理を示唆するか？
• RQ2 $R_K$ 異常（軽レプトンのフラーバー不変化）は、$C_9$ における新しい物理寄与によって説明可能か？
• RQ3 $C_9$ の $q^2$ 依存性は、新しい物理か、予想外に大きなcharmループ効果を示唆するか？
• RQ4 $B\to K^{*}\mu^+\mu^{-}$ 崩壊における不一致は、形式因子の不確実性が低く見積もられたためか？
• RQ5 稀な $B$ 崩壊における新しい物理とハドロン的効果を明確に区別できる実験的シグネチャは何か？

主な発見

• $B\to K^{*}\mu^+\mu^{-}$ データのみでフィットした場合、標準模型は3.7σの有意性で不適切であり、88測定値に対して $\chi^2_\text{SM} = 116.9$ である。
• $b\to se^+e^-$ データを含めると、不一致は4.2σに増大し、91測定値に対して $\chi^2_\text{SM} = 125.8$ となる。
• 新しい物理による $C_9$ の寄与が強く支持され、最良適合の $C_9^\text{NP}$ は負のシフトと整合的である。
• $C_9^\text{NP} = -C_{10}^\text{NP} < 0$ のモデルがデータに最もよく適合し、$Z^\prime$ やレプトクォークモデルと整合的である。
• $C_9^\text{NP}$ の $q^2$ 依存性は、新しい物理と大きなハドロン的効果を区別するための鍵となる：$q^2$ に依存するシフトは、新しい物理を支持する。
• $J/\psi$ 共鳴領域は、異常発生の原因がcharmループか新しい物理かをテストするための重要な領域であり、ここでの大きな効果は新しい物理を模倣する可能性がある。