[論文レビュー] New Physics in $B_q^0-\bar B_q^0$ Mixing: Present Challenges, Prospects, and Implications for $B_q^0 oμ^+μ^-$

K. De Bruyn, Robert Fleischer+2 more|arXiv (Cornell University)|Aug 31, 2022

Quantum Chromodynamics and Particle Interactions被引用数 2

ひとこと要約

本稿は、CKM行列要素の決定における矛盾（$|V_{cb}|$, $|V_{ub}|$）およびユニタリティトライアングル（UT）頂点の制約を焦点に、$B_q^0$--$\bar{B}_q^0$混合における新しい物理（NP）をモデルに依存しないアプローチで調査する。$B_s^0$系は、不確実性の高いUT頂点に依存する程度が小さいため、$B_d^0$系よりもNPに対して感受性が高く、将来的なNP探索において優れたプローブであることが示された。

ABSTRACT

The phenomenon of $B^0_q-\bar B^0_q$ mixing ($q=d,s$) provides a sensitive probe for physics beyond the Standard Model. We explore the corresponding space for New Physics left through the current data, having a careful look at analyses of the Unitarity Triangle that are needed for the Standard Model predictions of the $B_q$ mixing parameters. In particular, we explore the impact of tensions between inclusive and exclusive determinations of the CKM matrix elements $|V_{ub}|$ and $|V_{cb}|$. Moreover, we focus on the angle $γ$ of the Unitarity Triangle, comparing measurements from $B o DK$ and $B oππ$, $ρπ$, $ρρ$ decays, where the latter are typically interpreted in terms of the angle $α$. We discuss various scenarios and present the corresponding state-of-the-art constraints on the New Physics parameters of $B_q^0-\bar B_q^0$ mixing. We point out that these results have an interesting application in the analysis of rare $B_q^0 o μ^+μ^-$ decays, allowing us to minimise the impact of CKM parameters in the search for New Physics. In view of the high-precision era, we make future projections. Interestingly, we find that for the extraction of the New Physics parameters in the $B_d$ system the determination of the apex of the Unitarity Triangle results in a key limiting factor. By contrast, the corresponding impact is negligible for the $B_s$ system, making it a promising candidate to reveal sources of New Physics.

研究の動機と目的

• 不連続および排出的決定の間の未解決の矛盾（$|V_{cb}|$, $|V_{ub}|$）が、$B_q^0$--$\bar{B}_q^0$混合における新しい物理（NP）制約に与える影響を評価すること。
• 混合パラメータの標準模型（SM）予測におけるユニタリティトライアングル（UT）頂点の役割を評価すること、特に入力選択への感受性を含めて。
• $B_d^0$および$B_s^0$系におけるNP感受性を比較し、NP検出にどの系がより有望であるかを特定すること。
• CKMパラメータの不確実性を最小化する手法を、$\Delta m_s / \Delta m_d$比を活用することで、まれな$B_q^0 \to \mu^+\mu^-$崩壊解析に開発すること。
• 高精度なフラーバー物理学における将来的なNP発見の可能性を予測すること、特に$B_s^0$系に焦点を当てる。

提案手法

• 測定値$\Delta m_q$および$\phi_q$を用いて、$B_q^0$--$\bar{B}_q^0$混合におけるNPパラメータのモデルに依存しないグローバルフィットを実施する。
• NPに敏感な観測量（例：$\beta$や$\Delta m_s$）を避けるために、$R_b$と$\gamma$のみを用いてユニタリティトライアングル頂点を構築する。
• $|V_{cb}|$および$|V_{ub}|$の排出的、不連続的、ハイブリッドの3つのシナリオを分析し、NPパラメータ制約への影響を評価する。
• $\Delta m_d / \Delta m_s$比を用いることで、$\gamma$に依存せずにUTの辺$R_t$を独立に決定可能とし、フレーバー不変のNP解析を可能にする。
• 測定済みの$B_s^0 \to \mu^+\mu^-$分岐比からの制約をNPパラメータ空間に適用し、$|V_{cb}|$の不確実性に依存しないようにする。
• $|V_{cb}|$, $|V_{ub}|$, および lattice QCD 計算の改善を仮定することで、高精度な将来的なシナリオを予測する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 不連続的および排出的決定の間の$|V_{cb}|$および$|V_{ub}|$の矛盾が、$B_q^0$--$\bar{B}_q^0$混合における新しい物理の許容されるパラメータ空間に与える影響は何か？
• RQ2 ユニタリティトライアングル頂点の不確実性が、$B_d^0$および$B_s^0$系における新しい物理の感受性をどの程度制限するか？
• RQ3 $\Delta m_d / \Delta m_s$比を用いて$\gamma$に依存せずにUTの辺$R_t$を抽出できるか？また、これによりNP感受性がどのように向上するか？
• RQ4 現在のデータを踏まえて、フレーバー不変の新しい物理シナリオは妥当であるか？$B_d^0$および$B_s^0$の制約は、その整合性をどのように示すか？
• RQ5 $B_s^0 \to \mu^+\mu^-$崩壊分岐比を、$\Delta m_s$との比を形成することで、$|V_{cb}|$の不確実性に依存せずにNPを制約する方法は何か？

主な発見

• $B_s^0$系は、ユニタリティトライアングル頂点の不確実性にあまり影響されないため、$B_d^0$系よりも新しい物理に対して感受性が高く、NP感受性が優れている。
• 排出的決定の$|V_{cb}|$および$|V_{ub}|$に対しては、$B_s^0$--$\bar{B}_s^0$混合における20%の新しい物理寄与が3.5σの有意水準で示唆される。
• フレーバー不変のシナリオでは、$\Delta m_d / \Delta m_s$比により$R_t$が$\gamma$に依存せずに決定可能となり、$B_s^0$系が支配的である一貫性のある図が得られる。
• $B_d^0$系はUT頂点の不確実性によって制限を受けるが、$B_s^0$系はその影響を受けないため、将来的なNP発見において後者の方が有望である。
• $B_s^0 \to \mu^+\mu^-$崩壊分岐比を$\Delta m_s$との比として用いることで、$|V_{cb}|$の不確実性に依存せずNPを制約可能となり、主要な不確実要因が排除される。
• 将来的な高精度測定により、$B_s^0$系がNP検出の主要チャネルとなると予想される。$B_d^0$系は依然としてSM入力の不確実性によって制限を受けるため。