[論文レビュー] Radiative B Decays: Standard Candles of Flavor Physics

Matthias Neubert|ArXiv.org|Dec 24, 2002

Particle physics theoretical and experimental studies参考文献 23被引用数 4

ひとこと要約

この論文は、特に $B\to X_s\gamma$ を含む放射性 B 衰えの理論的・実験的状態を、フラバー物理学および標準模型を超える新しい物理の精密なプローブとしてレビューする。理論的予測と実験結果が良好に一致しており、特に超対称モデルを含む新しい物理の制約がなされている。一方で、光子の偏光やイソスピン非対称性といった、排他的な衰えの観測量が新しい物理効果に非常に感受的であることが強調されている。

ABSTRACT

Rare radiative decays based on b->s+gamma transitions are among the most prominent examples of flavor-changing neutral current processes. They benefit from good theoretical control and experimental accessibility, large sensitivity to physics beyond the Standard Model, and the availability of many observables. In this talk I summarize the status of the theoretical understanding of these decays and review how they may be used to constrain extensions of the Standard Model, with particular focus on supersymmetric models.

研究の動機と目的

• 稀な放射性 $B$ 衰えが、フラバー変換中性カレント（FCNC）遷移を調べるプローブとしての理論的・実験的状態を評価すること。
• $B\to X_s\gamma$ 衰えが、特に超対称性や $\tan\beta$ が大きなモデルにおける標準模型を超える物理にどの程度感受的であるかを評価すること。
• 光子の偏光、CP非対称性、イソスピン破れといった排他的な衰えの観測量が、新しい物理を補足的に探るプローブとしての可能性を検討すること。
• フェルミ運動、 charm クォークの質量定義、および $b$-クォークの質量体系に起因する不確実性を扱うことにより、包含的 $B\to X_s\gamma$ 衰え率の理論的精度を向上させること。
• 包含的レートにとどまらず、複数の観測量を統合する手法を提唱し、新しい物理に関するより豊かな情報を抽出する方向への移行を促すこと。

提案手法

• 新しい物理を短距離係数に組み込むことで、$b\to s\gamma$ 遷移を記述する有効弱いハミルトニアンとウィルソン係数 $C_i(\mu)$ を用いる。
• 3ループの異常次元と2ループのマッチング条件を含む次-leading order (NLO) QCD 計算を適用し、SM、2HDM、CMSSM などのモデルにおける $C_i$ を決定する。
• ハドロン行列要素を計算するために、オペレータ積展開 (OPE) と重クォーク効果理論 (HQET) を用い、$\Lambda_{\rm QCD}/m_b$ のべき補正を含む。
• フェルミ運動の効果をねじれ展開を用いてモデル化し、光子エネルギー分布と実験的カット（$E_\gamma > 2.0$ GeV）を考慮する。
• 理論的精度を向上させるために、ポール質量の代わりに物理的 $b$-クォーク質量を用いることで、$b$-クォーク質量定義に起因する不確実性を回避する。
• QCD因子化定理を用いて、$B\to V\gamma$ 衰えのアモーチュードをフォーム因子と分布振幅の観点から計算する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 包含的 $B\to X_s\gamma$ 分岐比は、標準模型でどの程度正確に予測可能であり、それが新しい物理をどの程度制約するか？
• RQ2 光子の偏光、CP非対称性、イソスピン非対称性といった排他的な衰えの観測量は、包含的レートを越えて、新しい物理にどの程度感受的か？
• RQ3 ループ図において、ポール質量の代わりに動的質量を用いることで、$B\to X_s\gamma$ の予測レートにどのような影響を与えるか？
• RQ4 フェルミ運動やソフト光子放出に起因する理論的不確実性は、理論的予測を実験的カットに extrapolate する際に、どの程度影響を及ぼすか？
• RQ5 $B\to K^{*}\gamma$ 衰えにおけるイソスピン非対称性は、$\text{Re}(C_6/C_7)$ の比を直接探るプローブとして機能し、新しい物理の新たな窓を提供できるか？

主な発見

• $E_\gamma > 2.0$ GeV の条件下での包含的 $B\to X_s\gamma$ 分岐比の理論的予測は $(3.26 \pm 0.27_{-0.18}^{+0.09}) \times 10^{-4}$ であり、CLEO 測定値 $(2.94 \pm 0.39 \pm 0.25) \times 10^{-4}$ と良好に一致している。
• ポール質量の代わりに動的 charm クォーク質量を用いることで、理論的レートは約 10% 向上し、実験結果との一致が改善される。
• 物理的質量体系を用いた $b$-クォーク質量定義は、ポール質量に比べて理論的不確実性を低減し、精度を向上させる。
• 排他的 $B\to K^{*}\gamma$ 衰えでは、イソスピン非対称性が $(8 \pm 3)\%$ に達し、主にペンギン型オペレータ $Q_6$ に支配されており、$\text{Re}(C_6/C_7)$ の直接的プローブとして機能し、新しい物理に感受的である。
• $B\to K_{\rm res}\gamma$ 衰えにおける光子の偏光は、$K_1(1400)$ 共鳴状態で $(34 \pm 5)\%$ と予測されており、その値のずれは標準模型を超える新しいキラル結合の存在を示唆する。
• $b\to d\gamma$ 衰えにおける CP 非対称性は、$b\to s\gamma$ 衰えに比べて約 20 倍大きいと予測されており、CKM で抑制されたモードにおける新しい物理を探る有望なチャンネルを提供する。