[論文レビュー] Inclusive B -> X_s l^+ l^-: Complete angular analysis and a thorough study of collinear photons

Tobias Huber, Tobias Hurth+1 more|arXiv (Cornell University)|Mar 16, 2015

Particle physics theoretical and experimental studies参考文献 44被引用数 17

ひとこと要約

本稿は、次々に次に至るQCD（NNLO）、次に至るQED（NLO）、およびパワー補正を含む、包括的なB → Xsℓ⁺ℓ⁻崩壊の角度解析を提示する。QED補正に敏感な新しい角度観測量を同定し、Belle IIにおける実験的検出可能性を推定することで、レアB崩壊における新物理探索の理論的精度を著しく向上させる。

ABSTRACT

We investigate logarithmically enhanced electromagnetic corrections of all angular observables in inclusive B -> X_s l^+ l^-. We present analytical results, which are supplemented by a dedicated Monte Carlo study on the treatment of collinear photons in order to determine the size of the electromagnetic logarithms. We then give the Standard Model predictions of all observables, considering all available NNLO QCD, NLO QED and power corrections, and investigate their sensitivity to New Physics. Since the structure of the double differential decay rate is modified in the presence of QED corrections, we also propose new observables which vanish if only QCD corrections are taken into account. Moreover, we study the experimental sensitivity to these new observables at Belle II.

研究の動機と目的

• 対数的QED補正を含む、包含的B → Xsℓ⁺ℓ⁻崩壊における角度観測量の完全な理論枠組みを提供すること。
• 純粋なQCD補正下では消えるがQED効果に敏感な新しい角度観測量を同定・定義すること。
• 共線的光子放出をモデル化するための専用モンテカルロシミュレーションを用いて、QED補正の大きさを推定すること。
• 低q²および高q²領域における分岐比および角度観測量の精密な標準模型予測を提供すること。
• 標準模型を超える新しい物理の可能性を示唆する観測量に対するBelle IIの実験的感度を評価すること。

提案手法

• 有効場理論およびオペレータ積展開（OPE）を用いて、NNLO QCDおよびNLO QED補正を含む二重微分的崩壊率の解析的計算。
• 不変質量に依存する関数で表される角度観測量（HT, HL, HA, H3, H4, R(s₀)）のマスターフォーミュラの導出。
• 共線的光子放出をモデル化し、その角度観測量への影響を評価するためのモンテカルロシミュレーションの実装。
• パワー補正（1/m_b², 1/m_b³, 1/m_c²）とQED効果の包含的崩壊振幅における相互作用の組み込み。
• モンテカルロ研究からの数値結果を用いて、q²の異なる領域における観測量の理論予測の補正および妥当性検証。
• 純粋なQCD下では消えるがQED補正下では非ゼロとなる新しい観測量（例：R7–R10）の定義により、電磁効果への直接的な感度が可能となる。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 B → Xsℓ⁺ℓ⁻における二重微分的崩壊率に及ぼす対数的に強化されたQED補正の大きさと構造は何か？
• RQ2 どの角度観測量がQED補正に敏感であり、したがって標準模型を超える新しい物理のプローブとして機能するか？
• RQ3 共線的光子放出は、包含的B → Xsℓ⁺ℓ⁻における角度観測量の理論的予測にどのように影響するか？
• RQ4 Belle IIは、新たに提案されたQED感受性観測量に対してどの程度の実験的感度を有するか？
• RQ5 低q²および高q²領域における分岐比および角度観測量は、完全なNNLO QCDおよびNLO QED補正を含む標準模型予測とどのように比較されるか？

主な発見

• NLO QED補正の取り入れにより、特にHTおよびHLという角度観測量に顕著な変更が生じる。
• モンテカルロ研究によると、低q²領域ではQED補正がHTおよびHLに約1–2%の寄与を示すと推定され、高q²領域ではより大きな効果が見込まれる。
• R(R7)、R(R8)、R(R9)といった新しい観測量が提案され、純粋なQCD下では消えるがQED補正下では非ゼロとなるため、電磁効果の明確なシグネチャを提供する。
• 低q²領域（1 < q² < 6 GeV²）における予測分岐比は(1.58 ± 0.37) × 10⁻⁶であり、BelleおよびBaBarの測定と整合的である。
• 高q²領域（q² > 14.4 GeV²）では、分岐比が(0.48 ± 0.10) × 10⁻⁶と予測され、完全なNNLO QCDおよびNLO QED補正を用いることで理論的不確実性が約10%にまで低減される。
• 高q²領域におけるR(s₀)の予測値は約0.26–0.27 × 10⁻³であり、小さな不確実性を有するため、レプトン数不変性の破れを調べるクリーンなプローブとなる。