[論文レビュー] New physics reach of CP violating observables in the decay B to K* l+ l-

U. Egede, Tobias Hurth+3 more|arXiv (Cornell University)|Dec 8, 2009

Particle physics theoretical and experimental studies参考文献 10被引用数 6

ひとこと要約

本稿は、QCD因子化およびソフトコリネント有効理論（SCET）を用いて、稀な崩壊 $\bar{B}^0 \to \bar{K}^{*0} \ell^+ \ell^-$ におけるCP対称性の破れ観測量に対する新しい物理の感度を調査する。理論的および実験的取り組みにもかかわらず、未知の $\Lambda/m_b$ 矯正と実験的統計誤差が支配的であるため、LHCbはウィルソン係数 $C_9$, $C_{10}$ 及びそれらのヘリシティ対応係数において $\pi/8$ 未満の新しい物理位相に対しては限られた感度を持つことが判明した。

ABSTRACT

We discuss theoretical and experimental preparations for an indirect new physics search using the rare decay B to K*0 (to K pi) l+ l- focusing on CP violating observables. The separation of new physics effects and hadronic uncertainties is the key issue when using flavour observables in a new-physics search. Our analysis is based on QCD factorization and soft-collinear effective theory and critically examines the new physics reach of those observables via a detailed error analysis due to scale dependences, form factors, and other input parameters; we also explore the experimental sensitivities at LHCb using a full-angular fit method; finally, we make the impact of the unknown Lambda/mb corrections manifest in our theoretical predictions.

研究の動機と目的

• . $\bar{B}^0 \to \bar{K}^{*0} \ell^+ \ell^-$ におけるCP対称性の破れ観測量の理論的および実験的到達可能性を、新しい物理を探査する観点から評価すること。
• . 有効場理論の文脈において、特に $\Lambda/m_b$ 矯正がCP対称性の破れ観測量に与える影響を分離して評価すること。
• . 理論的および統計的誤差を考慮した、全角度フィットを用いたLHCbの新しい物理状況への感度を評価すること。
• . CP対称性の破れ観測量が、異なるCP位相を有するさまざまな新しい物理モデルを区別できるかどうかを検証すること。

提案手法

• . 次に高い順のQCD補正を含む、QCD因子化およびソフトコリネント有効理論（SCET）を用いて、B → K* の形因子および崩壊振幅を計算する。
• . 角度関数 $J_i - \bar{J}_i$ としてCP対称性の破れ観測量を構築し、微分崩壊断面積 $d^4\Gamma / dq^2 d\cos\theta_l d\cos\theta_K d\phi$ の文脈で、$\theta_l$, $\theta_K$, $\phi$ はレプトンおよびカリウムの角度を表す。
• . スケール依存性、入力パラメータの不確実性、$\Lambda/m_b$ パワー補正を含む詳細な誤差解析を実施し、理論的不確実性を定量化する。
• . 5年間のLHCbデータ（10 fb⁻¹）を想定したトイモンテカルロシミュレーションを用いて、統計的不確実性を1σおよび2σレベルで推定し、実験的感度を評価する。
• . 1つの非ゼロウィルソン係数を持つ3つのベンチマーク新しい物理シナリオを検討する：$|C^\text{NP}_9| = 2$, $|C^\text{NP}_{10}| = 1.5$, および $|C'^\text{NP}_{10}| = 3$、それぞれ位相 $\Theta = \pi/8$ を有する。これらは標準模型（SM）からの区別をテストするためのものである。
• . 理論的不確実性（特に $\Lambda/m_b$ 矯正）と実験的統計誤差を比較し、新しい物理位相の検出可能性を評価する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 . $\bar{B}^0 \to \bar{K}^{*0} \ell^+ \ell^-$ におけるCP対称性の破れ観測量は、$\pi/8$ 未満のCP対称性の破れ位相を有する新しい物理シナリオを区別できるか？
• RQ2 . 未知の $\Lambda/m_b$ パワー補正は、CP対称性の破れ観測量の理論的不確実性にどのように影響し、SMパラメータの不確実性を上回る主要因となるか？
• RQ3 . 5年間のデータから得られる現実的な統計的不確実性を考慮した場合、LHCbのCP対称性の破れ観測量への実験的感度はどの程度か？
• RQ4 . CP対称性の破れ観測量における理論的不確実性は、SMレベルのCP対称性の破れ効果よりも小さいか？ これにより、明確な新しい物理信号が得られるか？
• RQ5 . 観測量 $A^{(6)}_s$ および $A^{(8)}_s$ は、異なるウィルソン係数と位相を有する新しい物理モデルの違いを解消できるか？

主な発見

• . $A^{(6)}_s$ および $A^{(8)}_s$ のCP対称性の破れ観測量は、右巻き電流に非常に感受しやすく、$C^\text{NP}_{10}$ に $\Theta = \pi/8$ を持つ特定の新しい物理シナリオを標準模型から区別できることが判明した。
• . 非ゼロのCP位相を有する新しい物理シナリオでは、$\Lambda/m_b$ 矯正による理論的不確実性が誤差の主因となり、SMレベルの不確実性を1桁以上上回る。
• . 標準模型（SM）では、$A^{(6)}_s$ の不確実性は形因子および入力パラメータの不確実性が $\Lambda/m_b$ パワー補正よりも小さいが、新しい物理シナリオでは $\Lambda/m_b$ 矯正が支配的になる。
• . $A^{(6)}_s$ に関しては、3つの新しい物理ベンチマークが、5年間のLHCbデータ（10 fb⁻¹）から予想される1σ実験的不確実性帯内に位置しており、明確な発見可能性は示さない。
• . $A^{(8)}_s$ に関しては、新しい物理ベンチマークが2σ実験的不確実性帯内に位置しており、100 fb⁻¹のデータ（Super-LHCb）を用いても、$\pi/8$ 未満の位相への感度は依然として限られていることが示唆された。
• . 結論として、$C_9$, $C_{10}$ 及びそれらのヘリシティ対応係数において、$\pi/8$ 未満の新しい物理位相を $\bar{B}^0 \to \bar{K}^{*0} \ell^+ \ell^-$ 崩壊を通じてLHCbが有意に検出できる可能性はなく、理論的および統計的不確実性の影響が顕著である。