[論文レビュー] Is Super-$B$ Sufficiently Superb? -- On the Motivation for a Super-$B$ Factory

I. I. Bigi, A. I. Sanda|ArXiv.org|Jan 1, 2004

Particle physics theoretical and experimental studies被引用数 3

ひとこと要約

本論文は、$10^{10}$ 個の $B\bar{B}$ ペアを年間約 $\sim10^{35}$ cm$^{-2}$s$^{-1}$ のフルエンスで $e^+e^-$ 衝突により生成するスーパーセルフ$B$ ファクトリーが、標準模型の高精度なテストおよびニューサイエンスの診断、特にフレーバーフィジックスおよびスレーブスケーリングの文脈において不可欠であると主張している。この施設により、CKMパラメータ、レア崩壊、CP非対称性、$B_s\bar{B}_s$ 遷移の高精度測定が可能となり、ハドロン衝突機を超える独自の感度が得られるとする。

ABSTRACT

Despite the great success of the $Υ(4S)$ $B$ factories at KEK and SLAC and the guaranteed addition of high sensitivity measurements on beauty decays to be performed at the Tevatron and LHC, a strong case can be made for an $e^+e^-$ Super-$B$ factory yielding data samples of order $10^{10}$ $B \bar B$ pairs as a necessity rather than luxury. It has to be justified through its ability to not only establish deviations from the Standard Model, but also diagnose and interpret those in terms of specific features of the New Dynamics. The role to be played by a Super-$B$ factory is thus analogous {\em and even in parallel} to that of a linear collider. The latter's goal is to provide more detailed information on previously discovered New Physics involved in the electroweak phase transition. Likewise a Super-$B$ factory would provide precision probes for analyzing whether such New Dynamics has an impact on heavy flavour dynamics -- a need particularly manifest if the New Physics is housed under the `big tent' of SUSY. The huge statistics of a Super-$B$ factory and the comprehensive body of accurate measurements uniquely possible there would be harnessed in several classes of studies, among them more precise extractions of $V(ub)/V(cb)$ and $V(td)/V(ts)$, more detailed analyses of $B o γX_{s,d}, l^+l^-X$ and novel data on $B o τν, τνD, ν\bar νX$ and maybe even on $Υ(5S) o B_s \bar B_s$ -- all in addition to a host of CP asymmetries.

研究の動機と目的

• 既存の $B$ ファクトリーの成功を超えて、スーパーセルフ$B$ ファクトリーの科学的必要性を確立すること。
• CKMパラメータおよびレア崩壊のテストに必要な精度を達成する点で、ハドロン衝突機の限界を扱うこと。
• $B$、$D$、$\tau$ 崩壊の包括的かつ高統計的分析を可能にし、フレーバー変換過程におけるニューサイエンスを探査すること。
• 特にスレーブスケーリングの文脈において、ニューサイエンスの特徴を診断するための独自の環境を提供すること。
• 「1%チャレンジ」に応えること——つまり、ニューサイエンスの解釈に必要な主要な観測量における $\mathcal{O}(1\%)$ の不確実性を達成すること。

提案手法

• $\sqrt{s} \approx m_{\Upsilon(4S)}$ の非対称 $e^+e^-$ コライダーを提案し、フルエンス $\sim10^{35}$ cm$^{-2}$s$^{-1}$ を実現することで、年間約 $10^{10}$ 個の $B\bar{B}$ ペアを生成する。
• 高統計的かつクリアな $e^+e^-$ イベントを活用し、包括的および排他的な $B$ 崩壊の高精度測定を可能にする。具体的には $B \to \gamma X$、$l^+l^-X$、$B \to \tau\nu$、$B \to \nu\bar{\nu}X$ を含む。
• $B^\pm \to D^{\rm neut}K^\pm$ における時間依存CP非対称性解析を用いて $\gamma = \phi_3$ を抽出し、$x_D$ および $y_D$ のバイアスを最小限に抑えることに重点を置く。
• ダリッツプロット解析およびT反転相関を用いて、$\mathcal{O}(10^{-4})$ から $10^{-3}$ のレベルでcharmおよび$\tau$ 崩壊におけるCP違反を検出する。
• $\Upsilon(5S)$ 共鳴状態を活用し、$B_s\bar{B}_s$ ペアを取得することで $B_s$ フィジックス、特に $B_s \to \tau\nu$ および $B_s$ 混在を研究する。
• $B$、charm、$\tau$ 崩壊からのデータを統合し、ニューサイエンスを診断するための相互検証可能な観測量のネットワークを構築する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 スーパーセルフ$B$ ファクトリーは、フレーバー変換中性荷電現在およびレア崩壊におけるニューサイエンスの診断に必要な精度を提供できるか？
• RQ2 $B \to \gamma X$ および $B \to l^+l^-X$ 崩壊は、標準模型を超えるニューサイエンスをどれほど探査できるか？
• RQ3 $\Upsilon(5S)$ における $B_s\bar{B}_s$ 生産は、$B_s$ 混在およびレア崩壊の決定をどの程度向上できるか？
• RQ4 $D^0 \to K^+K^-$、$\pi^+\pi^-$、$K_S\phi$ におけるCP非対称性は、ニューサイエンスを検出するために必要な $\mathcal{O}(10^{-4})$ の感度に達するか？
• RQ5 $\tau$ 崩壊は、レプトン数保存違反過程およびレプトン系におけるCP違反を探査する上で果たす役割は何か？

主な発見

• 年間約 $10^{10}$ 個の $B\bar{B}$ ペアを生成するスーパーセルフ$B$ ファクトリーは、ハドロン衝突機よりも制御性および系統誤差の面で優れる、高精度フレーバーフィジックスに特化した独自のクリアな環境を提供する。
• $B$ ファクトリーにおける $B_d \to J/\psi K_S$ からの世界平均値 $\sin 2\phi_1 = 0.736 \pm 0.049$ は、高精度 $e^+e^-$ データの力強さを示しており、さらなるアップグレードの正当性を裏付けている。
• $V_{cb}$、$V_{ub}$、$V_{td}$、$V_{ts}$ の高精度抽出が $\mathcal{O}(1\%)$ の不確実性で可能となり、CKM行列の厳密なテストが可能になる。
• 約 $10^{-5}$ の分岐比における $B \to \tau\nu$、$B \to \tau\bar{\nu}D^{(*)}$、$B \to \nu\bar{\nu}X$ の測定が、約 $10^{10}$ 個の $B\bar{B}$ ペアで実現可能である。
• $\Upsilon(5S) \to B_s\bar{B}_s$ モードは、$B_s$ 混在およびレア崩壊の研究に独自の道筋を提供し、年間約 $10^9$ 個の $B_s\bar{B}_s$ ペアの生成が期待できる。
• $D^0$ 崩壊におけるCP非対称性が $\mathcal{O}(10^{-4})$ まで、$D^\pm \to K_{S/L}\pi^\pm$ における直接CP違反が $\mathcal{O}(10^{-3})$ のレベルに達する可能性があり、これらはニューサイエンスの重要なプローブである。