[論文レビュー] Penguin Effects in $\phi_{d,s}$ Determinations

Robert Fleischer|arXiv (Cornell University)|Dec 12, 2012

Particle physics theoretical and experimental studies参考文献 10被引用数 4

ひとこと要約

本稿は、$B^0_d \to J/\psi K_S$、$B^0_s \to J\psi \phi$、および$B^0_s \to J/\psi f_0(980)$の崩壊における$\phi_d$および$\phi_s$混合位相の正確な決定に及ぼす二重にカビボ・抑制されたペンギン効果の影響を調査する。非摂動的ハドロン効果は小さくはあるが、LHCbアップグレードにおけるニュートラル・ニュートリノ探索のための精度を達成するには、実験的データによる制御が不可欠であり、特に$B_{(s)}\to J/\psi \pi$、$J/\psi K$の崩壊および有効$B_s$寿命から得られる主要な制約が重要であることを示している。

ABSTRACT

The theoretical precision of the measurement of the $B^0_{d,s}$-$\\bar B^0_{d,s}$ mixing phases $\\phi_{d,s}$ through the benchmark decays $B^0_d\ o J/\\psi K_S$, $B^0_s\ o J/\\psi \\phi$ and $B^0_s\ o J/\\psi f_0(980)$ is limited by doubly Cabibbo-suppressed penguin topologies which are usually neglected. However, the search for New-Physics effects in the quark-flavor sector has entered a territory where these effects have to be taken into account, which will be particularly relevant for the LHCb upgrade era. Thanks to their non-perturbative nature, the penguin corrections cannot be calculated but have rather to be controlled through experimental data. An overview of the picture of the penguin parameters originating from the current data for $B_{(s)}\ o J/\\psi \\pi, J/\\psi K$ decays and the physics potential of the control channels $B^0_s\ o J/\\psi K_{\ m S}$, $B^0_s\ o J/\\psi \\bar K^{*0}$ and $B_d^0\ o J/\\psi f_0(980)$ is given, emphasizing also the usefulness of effective $B_s$ decay lifetimes.

研究の動機と目的

• 二重にカビボ・抑制されたペンギン位相の理論的不確実性が、$\phi_d$および$\phi_s$の測定に与える影響を評価すること。通常は無視されがちであるが、ニューフェイジックス感受性に影響を及える可能性がある。
• 現在の$B_{(s)}\to J/\psi \pi, J/\psi K$崩壊に関する実験的データを用いて、ペンギン寄与の大きさと位相を定量すること。
• $B^0_s \to J/\psi K_S$、$B^0_s \to J/\psi \overline{K}^{*0}$、および$B^0_d \to J/\psi f_0(980)$のような制御チャネルがペンギン効果を制約する可能性を評価すること。
• 有効$B_s$崩壊寿命が、ハドロン的不確実性を最小限に抑えて$\phi_s$を抽出する代替手法としてどれほど頑健であるかを検討すること。
• LHCbアップグレード時代に備えて、$B$物理学の精度測定における非摂動的ペンギン効果を制御するための重要な実験的入力を見出すこと。

提案手法

• $B_d^0 \to J/\psi K_S$の理論的アモーチュード分解には、ツリー項とペンギン項が含まれ、パラメータ$ a'e^{i\theta'} $ を含む。ここで、$ a' $ と $ \theta' $ は、$ B_{(s)}\to J/\psi \pi, J/\psi K $ 崩壊に関する実験的データで制約される。
• $B_d^0 \to J/\psi K_S$の時間に依存するCP非対称性を用いて、$ S(B_d \to J/\psi K_S) = \sin(\phi_d + \Delta\phi_d) $ を抽出する。ここで $ \Delta\phi_d $ はペンギン効果に敏感である。
• ハドロン的パラメータ $ a' $、$ \theta' $、および $ b $ を用いて、ペンギン誘発位相シフト $ \Delta\phi_d $ および $ \Delta\tilde{\phi}_s $ を計算し、実験的入力からの不確実性を伝搬する。
• $B_s^0 \to J/\psi f_0(980)$崩壊は、クォーク-反クォークモデルとテトラクォークモデルの両方を仮定して分析され、パラメータ $ b $ がモデル依存性を記述し、$ \Delta\tilde{\phi}_s $ に影響を与える。
• 有効$B_s$崩壊寿命を、CP非対称性測定とは対照的に、ペンギン不確実性にほとんど依存しない方法として導入し、時間積分された崩壊率を用いて $ \tau_f $ を定義することで、$ \phi_s $ および $ \Delta\Gamma_s $ をペンギン不確実性とは独立に抽出する。
• $B_{(s)}\to J/\psi \pi, J/\psi K$データからのペンギン効果のグローバル制約を導出し、$ a = 0.22 \pm 0.13 $、$ \theta = (180.2 \pm 4.5)^\circ $、および $ \Delta\phi_d = -(1.28 \pm 0.74)^\circ $ を得た。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 二重にカビボ・抑制されたペンギン寄与は、$\phi_d$および$\phi_s$の決定においてどれほど顕著であり、精度の高い$B$物理学解析では無視できるだろうか？
• RQ2 $B_d^0 \to J/\psi K_S$崩壊におけるペンギン効果を支配するハドロン的パラメータ$ a' $および$ \theta' $ を制約するために、どのような実験的データが利用可能だろうか？
• RQ3 $f_0(980)$メソンのハドロン的構造に関する不確実性が、$B_s^0 \to J/\psi f_0(980)$崩壊からの$\phi_s$抽出にどのように影響するか？
• RQ4 有効$B_s$崩壊寿命は、ペンギンに依存しない頑健な代替手法として、$\phi_s$を測定するのに適しているだろうか？
• RQ5 LHCbアップグレードにおいて、$B^0_s \to J/\psi K_S$および$B^0_s \to J/\psi \overline{K}^{*0}$崩壊がペンギン効果を制御するために果たす役割は何か？

主な発見

• 現在の$B_{(s)}\to J/\psi \pi, J/\psi K$崩壊データから、$ a = 0.22 \pm 0.13 $ および $ \theta = (180.2 \pm 4.5)^\circ $ を得た。これは、$B_d^0 \to J/\psi K_S$崩壊におけるペンギン誘発位相シフト $ \Delta\phi_d = -(1.28 \pm 0.74)^\circ $ を示唆している。
• $B^0_s \to J/\psi f_0(980)$崩壊は、$f_0(980)$のハドロン的構造に非常に敏感であり、保守的な仮定のもとで $ \Delta\tilde{\phi}_s $ は $-2.9^\circ$ から $2.8^\circ$ の範囲にわたる。
• 標準模型予測では、$S(B_s \to J/\psi f_0)$はペンギン効果のため、$[-0.086, -0.012]$ の範囲にある。$ \Delta\tilde{\phi}_s = 0^\circ $ の場合の単純な値は $-0.036 \pm 0.002$ である。
• 有効$B_s$崩壊寿命は、ハドロン的ペンギン不確実性への感受性が極めて低いため、$\phi_s$ および $\Delta\Gamma_s$ を抽出する頑健な手法を提供する。CP非対称性測定とは対照的に、非常に有望な代替手法である。
• LHCbによる$B_s^0 \to J/\psi f_0$からの$\phi_s$の結果は $\phi_s = -(25 \pm 25 \pm 1)^\circ$、対応する$S = -0.43^{+0.43}_{-0.34}$ であるが、実験的精度が向上すればペンギン効果の制約が必要になる。
• 今後の有効$B_s$寿命の$1\%$精度測定は、ペンギンに依存しない強力な$\phi_s$のプローブを提供し、CP違反研究を補完するだろう。