[論文レビュー] Probing flavoured Axions in the Tail of $B_q o \mu^+\mu^-$

J. Albrecht, Emmanuel Stamou+2 more|arXiv (Cornell University)|Nov 12, 2019

Particle physics theoretical and experimental studies参考文献 52被引用数 2

ひとこと要約

本稿では、$B_q \to \mu^+\mu^-$崩壊の尾部からのLHCb二ミュオンデータを用いて、軽いQCDオクチンおよび他の標準模型を超える（BSM）粒子のフレーバー破れカップリングを調べることを提案する。QCD和則および分散関係を用いて、オフシェル $B_q \to \gamma^*$ 形因子を計算し、$B_q \to \mu\mu a$ および $B_q \to \mu\mu\gamma$ の正確な崩壊率を可能にした。その結果、全LHCbデータセットを用いることで、$b \to d$ および $b \to s$ 遷移の両方において、カップリングスケールが約 $10^6$ GeVのオクチンを探索可能であることが示された。

ABSTRACT

We discuss how LHC di-muon data collected to study $B_q o \mu\mu$ can be used to constrain light particles with flavour-violating couplings to $b$-quarks. Focussing on the case of a flavoured QCD axion, $a$, we compute the decay rates for $B_q o \mu \mu a$ and the SM background process $B_q o \mu \mu \gamma$ near the kinematic endpoint. These rates depend on non-perturbative $B_q o \gamma^{(*)}$ form factors with on- or off-shell photons. The off-shell form factors -- relevant for generic searches for beyond-the-SM particles -- are discussed in full generality and computed with QCD sum rules for the first time. With these results, we analyse available LHCb data to obtain the sensitivity on $B_q o \mu \mu a$ at present and future runs. We find that the full LHCb dataset alone will allow to probe axion-coupling scales of the order of $10^6$ GeV for both $b o d$ and $b o s$ transitions.

研究の動機と目的

• LHCbの二ミュオンデータを用いて、$B_q \to \mu^+\mu^-$ の運動量尾部から、軽いQCDオクチンのフレーバー破れカップリングを制約すること。
• BSM崩壊率計算に不可欠な、オフシェル光子の非摂動的 $B_q \to \gamma^*$ 形因子を計算すること。
• 複数減算された分散関係を用いて、低励起励起状態領域を含む、オフシェル形因子およびQCD和則の拡張を実施すること。
• 全データセット、および今後の運転を含めたLHCbの $B_q \to \mu\mu a$ および $B_q \to \mu\mu\gamma$ への感度を評価すること。
• 軽量でフレーバー破れのBSMボソンを含む形式を一般化し、より広範なBSM探索のための枠組みを提供すること。

提案手法

• 低励起励起状態寄与を含むために、複数減算された分散関係を用いたQCD和則により、オフシェル $B_q \to \gamma^*$ 形因子を計算する。
• 電流保存則およびゲージ不変性からの制約を含む、7つのオフシェル形因子 $F^*(q^2, k^2)$ の完全な基底を導出する。
• $k^2$ 変数における $z$-展開を適用し、形式因子をパラメータ化することで、格子計算およびQCD和則データへの数値フィッティングを可能にする。
• 分散関係および $z$-展開を用いて、$k^2 \lesssim (2\text{ GeV})^2$ 領域への形式因子の拡張を実施し、BSM物理学にとって極めて重要な領域をカバーする。
• ヘリシティ形式および計算された形式因子を用いて、運動量端近傍における $B_q \to \mu\mu a$ および $B_q \to \mu\mu\gamma$ の微分崩壊断面積を導出する。
• SMの放射的背景を考慮した上で、LHCbデータの再解釈を実施し、オクチンカップリングおよびBSMボソンに対する感度限界を導出する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 $B_q \to \mu^+\mu^-$ の運動量尾部におけるLHCb二ミュオンデータは、軽いQCDオクチンのフレーバー破れカップリングを調べるために利用可能か？
• RQ2 オフシェル光子の非摂動的 $B_q \to \gamma^*$ 形因子は何か？ そして、BSM物理学に適した信頼性の高い計算方法は？
• RQ3 オフシェル形式因子、特に励起状態寄与を含めた場合、$B_q \to \mu\mu a$ および $B_q \to \mu\mu\gamma$ の崩壊率にどのように影響を与えるか？
• RQ4 全LHCbデータセットを用いることで、オクチンカップリングスケールにどの程度の感度が得られるか？ また、$b \to d$ と $b \to s$ 遷移の違いにどのように依存するか？
• RQ5 同様の形式論を、$B_q \to \mu\mu V$ 崩壊における軽量でフレーバー破れのBSMボソンを探索するために拡張可能か？

主な発見

• 全LHCbデータセット（300 fb$^{-1}$）を用いることで、$b \to d$ および $b \to s$ 遷移の両方において、カップリングスケールが約 $10^6$ GeVのオクチンを探索可能であると予想される。
• 本稿では、複数減算された分散関係を用いて励起状態効果を含む、QCD和則によるオフシェル $B_q \to \gamma^*$ 形因子の初の計算を提示する。
• $z$-展開および分散表現を用いて、低励起励起状態領域への形式因子の拡張を実施し、$B_q$ 質量閾値近傍での精度を向上させた。
• 導出された形式因子を用いることで、非摂動的QCD効果を完全に制御した状態で、$B_q \to \mu\mu a$ の微分崩壊断面積を計算した。
• SMの放射的崩壊 $B_q \to \mu\mu\gamma$ をバックグラウンドとして扱い、同じ形式因子を用いてその断面積を計算した。これにより、信号とバックグラウンドの正確な分離が可能になった。
• 形式論は、軽量でフレーバー破れのBSMボソンに一般化され、さまざまなカップリング組み合わせに対する90%信頼区間の除外限界が導出された。特に $g_V^{bs}/\Lambda^2 \lesssim 9 \times 10^{-7}$ が得られた。