[論文レビュー] Rare decays of b and c hadrons

Wolfgang Altmannshofer, F. Archilli|arXiv (Cornell University)|Jun 22, 2022

Particle physics theoretical and experimental studies被引用数 5

ひとこと要約

このホワイトペーパーは、10–100 TeVのスケールでの新物理に対する高い理論的感受性を示す、bおよびcハドロンのレア崩壊を、標準模型を越える物理の感受性の高いプローブとしてレビューする。Belle II、LHCb、ATLAS、CMS、BESIII、および将来のコライダーにおける実験的機会を概説するとともに、近い将来の実験の精度に合わせるためのハドロン行列要素とCKM入力に関する重要な理論的課題を特定する。

ABSTRACT

In this white paper for the Snowmass process, we review the status and prospects of the field of rare decays of b and c hadrons. The role that rare decays play in the search for physics beyond the Standard Model is emphasised. We stress the complementarity of a large set of relevant processes and outline the most promising directions. The experimental opportunities at Belle II, BES III, ATLAS, CMS, LHCb, and at future machines are discussed. We also summarize the challenges that need to be addressed on the theory side to achieve theory uncertainties for rare decays that match the expected experimental sensitivities.

研究の動機と目的

• bおよびcハドロンのレア崩壊が、標準模型を越える新物理の間接的プローブとして果たす役割を評価すること。
• 現在のB中間子崩壊における異常を踏まえて、新物理を検証するのに最も有望なレア崩壊過程を特定すること。
• Belle II、LHCb、ATLAS、CMS、BESIII、および将来のe+e−コライダーを含む、既存および将来の施設の実験的潜在能力を評価すること。
• ハドロン行列要素の計算およびCKMパラメータの不確実性を低減するための理論的課題を概説すること。これにより、実験の感度に見合った精度を達成する。
• 新物理モデルに対する強固な制約を得るための包括的かつ多様なレア崩壊プログラムの重要性を強調すること。

提案手法

• フレーバー変換中性カレント遷移を記述する有効ハミルトニアンフレームワークを用い、ウィルソン係数が新物理寄与を符号化する。
• BおよびD中間子、バリオンにおける、完全にレプトン性の崩壊、半レプトン性の崩壊、放射性崩壊、二ニュートリノ崩壊を含む広範なレア崩壊モードを分析する。
• Belle II、LHCb、ATLAS、CMS、BESIII、および将来のe+e−コライダーにおける実験的感度を評価し、分岐比、角度分布、およびLFU比に焦点を当てる。
• 標準模型で強く抑制される「ノルムテスト」、例えばcharm崩壊における前向き-後向き非対称性やCP非対称性が、新物理に対して感受性が非常に高いことを強調する。
• フォーム因子のための格子QCD、排他的崩壊のためのQCD因子化、長距離効果のためのデータ駆動型アプローチを含む理論的ツールを議論する。
• 複数の崩壊モードにわたる一貫性のあるパターンを特定するため、レアb崩壊観測量のグローバルフィットを提案する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 bおよびcハドロンのレア崩壊は、10–100 TeVのスケールでの新物理をどの程度まで探査できるか？
• RQ2 B→K*μμ、RK、RK*における現在の異常は、新物理をどの程度制限するか、あるいは新物理を示唆するものであり、それらを確認するためのどの実験的測定が必要か？
• RQ3 レプトンフレーバー不変性の破れやレプトンフレーバー変換の破れを検出するのに最も感受性が高いレア崩壊観測量は何か？
• RQ4 ハドロン行列要素およびCKMパラメータにおける理論的不確実性を、近い将来の実験の精度に合わせてどのように低減できるか？
• RQ5 レア崩壊の発見可能性を最大限に高めるために、最も有望な将来の実験プログラムおよび理論的ツールは何か？

主な発見

• B異常—B→K*μμの角度分布およびLFU比RKとRK*における乖離—は、100 TeV以下のスケールに新物理の新しい質量スケールが存在する可能性を示唆する強力な手がかりである。
• 完全にレプトン性の崩壊Bs→μ+μ−は、理論的記述が明確で高精度なプローブであり、Belle IIおよびLHCbで高い感度で測定されると予想される。
• Belle IIにおける包含的B→Xsℓℓ崩壊は、B異常を含む文脈で新物理に対する重要な制約を提供する。
• B→K*ℓℓおよびΛb→Λℓℓのような排他的半レプトン性崩壊は、角度分布を含む高感度の観測量を提供し、新物理寄与に対して感受性が非常に高い。
• D→P1P2ℓℓにおける前向き-後向き非対称性やCP非対称性といった、レアcharm崩壊におけるノルムテストは、非ゼロであれば新物理の明確な信号を提供する。
• b→sνν̄およびc→uνν̄の二ニュートリノ崩壊は、標準模型でGIM抑制が強く、観測された場合、軽いステアリングニュートリノやダークフォトンを含む新物理の明確な信号となる。