[論文レビュー] On Branching Ratios of $B_s$ Decays and the Search for New Physics in $B^0_s o μ^+μ^-$

Robert Fleischer|arXiv (Cornell University)|Aug 14, 2012

Particle physics theoretical and experimental studies参考文献 29被引用数 17

ひとこと要約

本稿は、$B_s$ メソンの幅差 $Δ\Gamma_s$ が $B_s$ 衰えの branching ratio 測定に与える影響を扱い、時間積分されたデータによる実験的 branching ratio と理論的 branching ratio の間に最大10%の差が生じることを示している。実験的 branching ratio を理論的 branching ratio に変換する理論的にクリーンな観測量として有効寿命を導入し、特に branching ratio が標準模型予測に近い場合に、$B^0_s \to \mu^+\mu^-$ のレア衰えにおいて新物理を探る可能性を強調している。

ABSTRACT

The LHCb experiment has recently established a sizable width difference between the mass eigenstates of the $B_s$-meson system. This phenomenon leads to a subtle difference at the 10% level between the experimental branching ratios of $B_s$ decays extracted from time-integrated, untagged data samples and their theoretical counterparts. Measuring the corresponding effective $B_s$-decay lifetimes, both branching ratio concepts can be converted into each other. The rare decay $B^0_s o μ^+μ^-$ and the search for New Physics through this channel is also affected by this effect, which enhances the Standard-Model reference value of the branching ratio by O(10%), while the effective lifetime offers a new observable to search for physics beyond the Standard Model that is complementary to the branching ratio.

研究の動機と目的

• 時間積分された未タグ付きデータによる $\Delta\Gamma_s$ の影響によって、実験的に測定された $B_s$ 衰えの branching ratio と理論的に計算されたものとの違いを明確にすること。
• 時間積分された未タグ付きデータサンプルに起因する branching ratio 解釈の曖昧さを解消すること。
• 理論的仮定を $\mathcal{A}^{f}_{\Delta\Gamma}$ に依存せずに、実験的に測定可能な新しい観測量として有効 $B_s$ 衰え寿命を提案すること。
• $B^0_s \to \mu^+\mu^-$ 衰えにおける有効寿命が、標準模型を越える物理を新しいクリーンなプローブとしてどのように可能にするかを示すこと。
• $\Delta\Gamma_s$ の効果を branching ratio の比の分析に組み込むことで、$B^0_s \to \mu^+\mu^-$ における新物理の制約を更新すること。

提案手法

• 未タグ付き $B_s$ 衰えの時間積分された崩壊率を、異なる崩壊幅を持つ二つの指数関数の和として導出し、$y_s = \Delta\Gamma_s / (2\Gamma_s)$ でパrameter化する。
• 実験的 branching ratio は時間積分された生成率により定義されるが、理論的 branching ratio は振動効果を除くために $t=0$ での定義とする。
• 有効 $B_s$ 衰え寿命 $\tau_f$ を、崩壊率の一次モーメントと零次モーメントの比として定義し、$y_s$ と $\mathcal{A}^{f}_{\Delta\Gamma}$ に依存する。
• 有効寿命を用いた実験的および理論的 branching ratio 間の変換公式を確立し、$\mathcal{A}^{f}_{\Delta\Gamma}$ に関する理論的入力を不要にする。
• レア衰え $B^0_s \to \mu^+\mu^-$ にこの形式を適用し、実験的測定と一致させるために標準模型の branching ratio が $1/(1 - y_s)$ の要因で再スケーリングされる必要があることを示す。
• 有効寿命と $B^0_s \to \mu^+\mu^-$ における $\mathcal{A}_{\Delta\Gamma}$ を用いて、$|P|\text{--}|S|$ 平面における新物理を制約し、スカラーおよび擬スカラー成分の分離を可能にする。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 非ゼロの $\Delta\Gamma_s$ は、実験的に測定された $B_s$ 衰えの branching ratio と理論的に計算されたものとの関係にどのように影響を与えるか？
• RQ2 有効 $B_s$ 衰え寿命は、$\mathcal{A}^{f}_{\Delta\Gamma}$ に関する理論的仮定に依存せずに、実験的 branching ratio を理論的ものに変換するために使用可能か？
• RQ3 $B^0_s \to \mu^+\mu^-$ の branching ratio の解釈に $\Delta\Gamma_s$ が与える影響は何か？特に新物理探索の文脈で。
• RQ4 $\Delta\Gamma_s$ は、特に branching ratio が標準模型予測に近い場合に、$B^0_s \to \mu^+\mu^-$ における新物理パラメータの制約をどのように変更するか？
• RQ5 $B^0_s \to \mu^+\mu^-$ における有効寿命が、branching ratio が SM に近い場合であっても、理論的にクリーンな観測量として新物理を検出可能か？

主な発見

• $\Delta\Gamma_s$ の影響により、最終状態に依存して実験的および理論的 $B_s$ 衰えの branching ratio の差が最大10%に達することがある。
• 有効 $B_s$ 衰え寿命 $\tau_f$ は、$\mathcal{A}^{f}_{\Delta\Gamma}$ の理論的推定値に依存しないモデルに依存しない方法で、実験的 branching ratio を理論的ものに変換する手段を提供する。
• $B^0_s \to \mu^+\mu^-$ 衰えにおいて、標準模型の branching ratio は実験的測定と一致させるために $1/(1 - y_s) \approx 1.09$ の要因で再スケーリングされる必要があり、基準値は $(3.5 \pm 0.2) \times 10^{-9}$ となる。
• 有効寿命 $\tau_{\mu^+\mu^-}$ は、$B^0_s \to \mu^+\mu^-$ における新物理を探る新しい理論的にクリーンな観測量を提供する。特に branching ratio が標準模型と一致する場合に有効である。
• $B^0_s \to \mu^+\mu^-$ の branching ratio が標準模型予測に近いと測定されたとしても、有効寿命と $\mathcal{A}_{\Delta\Gamma}$ を用いることで、顕著な新物理寄与がまだ存在することが検出可能である。
• branching ratio の比 $R$ と有効寿命の組み合わせにより、$|P|\text{--}|S|$ 平面における新物理をマッピング可能であり、$\mathcal{A}_{\Delta\Gamma}$ を用いることでスカラーおよび擬スカラー成分の分離が可能である。