[論文レビュー] Rare B-Meson Decays

Mikołaj Misiak|arXiv (Cornell University)|Dec 27, 2011

Particle physics theoretical and experimental studies参考文献 7被引用数 13

ひとこと要約

この論文は、ループ誘導型のフレーバー変換中性荷電現在によって媒介されるレアなB中間子崩壊をレビューし、新物理の探査としての $B_s \to \mu^+\mu^-$ を焦点としている。標準模型（SM）における分岐比の予測は $ (3.34 \pm 0.21) \times 10^{-9} $ であり、CDFとLHCbからの実験的制約を分析し、特に最小フレーバー破れを仮定するモデルにおいて、この崩壊が標準模型を超える新物理に対して非常に感受性が高いことを強調している。

ABSTRACT

Rare decays of the B-meson that arise due to loop-mediated FCNC transitions are known to provide important constraints on beyond-SM theories. Basic properties of several such decays are reviewed here.

研究の動機と目的

• ループ誘導型フレーバー変換中性荷電現在によって媒介されるレアB中間子崩壊の理論的枠組みと実験的状況をレビューすること。
• $B_s \to \mu^+\mu^-$ が標準模型を超える新物理に対してどれほど感受性が高いかを評価すること。
• 有効場理論とウィルソン係数がレア崩壊を記述する役割を評価すること。
• 理論的予測とCDFおよびLHC実験からの実験的制約を比較すること。
• $b \to s$ および $b \to d$ 遷移における新物理を探査する上で最も有望な観測量を同定すること。

提案手法

• 有効ラグランジアンにおける次元6のオペレーターを用いて、レアB崩壊を低エネルギー有効場理論のアプローチで記述する。
• 大規模な対数を再結合させ、電弱スケールにおけるウィルソン係数を計算するために、レノルマライゼーション群技術を適用する。
• $\overline{\text{MS}}$ スキームを用い、$C_A$ のウィルソン係数にQCDおよび電磁的補正を含める。
• 行列要素、崩壊定数（$f_{B_s}$）および位相空間因子を用いて、分岐比の式を導出する。
• 理論的予測とCDFおよびLHCの実験的制約（95%信頼水準での統合限界を含む）を比較する。
• 2HDMやCMSSMのようなモデルにおける新物理の影響を、$B_s \to \mu^+\mu^-$ からの制約を用いて分析する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 標準模型における $B_s \to \mu^+\mu^-$ の分岐比の予測値は何か？ また、新物理に対してどれほど感受性が高いか？
• RQ2 CDFおよびLHCbからの実験的制約は、分岐比をどのように制限しているのか？ それらの現在の状況は？
• RQ3 MSSM や2ヒッグスダブルレットモデルのような新物理モデルを制限する上で、$B_s \to \mu^+\mu^-$ や $\bar{B} \to X_s\gamma$ のようなレア崩壊はどの程度の制限を及えるか？
• RQ4 $B_s \to \mu^+\mu^-$ が他の $B \to l^+l^-$ モードよりも新物理を検出するのにどれほど感受性が高いのか、その理由は何か？
• RQ5 高精度でレアB中間子崩壊を測定する上で、理論的および実験的課題は何か？

主な発見

• 標準模型は、$f_{B_s} = 225(4)$ MeV および $|V_{cb}| = 0.04185(73)$ を用いて、$B_s \to \mu^+\mu^-$ の分岐比を $ (3.34 \pm 0.21) \times 10^{-9} $ と予測している。
• CDF共同研究グループは、95%信頼水準で $ 40 \times 10^{-9} $ の上限を報告し、中央値として $ 18^{+11}_{-9} \times 10^{-9} $ を示したが、後にLHCの結果に取って代わられた。
• 2011年11月までに、LHCbとCMS共同研究グループは、95%信頼水準で $ 10.8 \times 10^{-9} $ のより厳しい上限を設定した。
• $B_s \to \mu^+\mu^-$ 崩壊は新物理に対して非常に感受性が高く、最小フレーバー破れを仮定しても、分岐比が数個のオーダー増加する可能性がある。
• SM予測における理論的不確実性は約3%と推定されており、$\mathcal{O}(\alpha_s^2)$ 項および補助的電磁的補正の未知の項が含まれる。
• 2HDM II型およびCMSSMに対する制約から、現在の $B_s \to \mu^+\mu^-$ の制約を踏まえると、ストップ粒子質量が2 TeVまでなら $\tan\beta < 40$ が示唆される。