[論文レビュー] Snowmass White Paper: Belle II physics reach and plans for the next decade and beyond

L. Aggarwal, S. Banerjee+75 more|arXiv (Cornell University)|Jul 13, 2022

Particle physics theoretical and experimental studies被引用数 22

ひとこと要約

Belle II は SuperKEKB でのデータ 1–50 ab⁻¹ による物理探索を示し、精密 CKM テスト、B・チャーム・τ セクターの非 SM 探索、ダークセクターの検索を詳述します。

ABSTRACT

Belle II is an experiment operating at the intensity frontier. Over the next decades, it will record the decay of billions of bottom mesons, charm hadrons, and tau leptons produced in 10 GeV electron-positron collisions at the SuperKEKB high-luminosity collider at KEK. These data, collected in low-background and kinematically known conditions, will allow us to measure hundreds of parameters that test the standard model (SM) and probe for the existence of new particles, at mass scales orders of magnitudes higher than those studied at the energy frontier. We project our sensitivities for measurements that are of primary relevance and where Belle II will be unique or world leading for data corresponding to 1 to 50 ab$^{-1}$. Belle II will uniquely probe non-SM contributions in sensitive $b o q\bar q s$ decays and charmless $b o q\bar q d(u)$ decays, semileptonic $b o s ν\barν$ and $s τ^+ τ^-$ decays, fully leptonic $b o \ell ν$ decays, and select $c o u$ processes. Belle II will lead exploration of non-SM physics in $b o c τν$ and $b o s γ$ decays and will most precisely determine the quark-mixing parameters $|V_{ub}|$ and $|V_{cb}|$. Belle II will measure many parameters in $τ$ physics to precisions that will be world leading for the foreseeable future, including the electric and magnetic dipole moments, branching fractions for charged-lepton-flavor-violating decays, and quantities that test lepton-flavor universality. Belle II will perform unique searches for dark-sector particles with masses in the MeV-GeV range. We will also pursue a broad spectroscopy program for conventional and multiquark $c \bar c$ and $b \bar b$ states and provide essential inputs to sharpen the interpretation of muon magnetic-anomaly results. Our exploration of uncharted regions of non-SM parameter space with high precision will reveal non-SM particles or set stringent constraints on their existence, guiding future endeavors.

研究の動機と目的

• 標準模型を試す潜在能力と、新物理を探る可能性を、1 to 50 ab⁻¹ の大規模データセットを用いて評価する。
• B 衰退における CKM の高精度測定の感度と非 SM CP 破れの感度を定量化する。
• 半随伴、放射、レプトン性 B 衰退、チャーム物理、ダークセクター探索における非 SM の手がかりを探る。
• τ レプトン物理学と高精度の電弱文脈における Belle II の能力を評価する。
• 今後の10年間において、他の施設に対して世界をリードするまたは独自の予測を提供する。

提案手法

• Belle II、Belle、BaBar の結果から感度を外挿し、ベンチマークとなる輝度（1, 5, 10, 50 ab⁻¹）を設定する。
• ルミノシティ依存性を考慮して系統的不確かさを分類・外挿する。
• B 再構成のための2つの高レベルアルゴリズムを用いる：フレーバータギングとrest-of-event解析によりB 衰退を特定する。
• 検出器性能、背景理解、データ/MC比較の管理された前提に基づく予測を設定する。
• B⁰ 系の崩壊時刻依存 CP 破れ形式を組み込み、CP 破れるパラメータを抽出する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 積分ルミノシティの関数として、ループ支配のB 衰退（例：eta′K_S⁰、φK_S⁰）におけるCP 破れてパラメータの予測精度はどの程度か？
• RQ2 1–50 ab⁻¹ データで、同型和則テストを含む CKM 角 φ1、φ2、φ3 の測定精度はどの程度か？
• RQ3 排他的および包括的半随伴 B 衰退からの |V_ub| および |V_cb| の予測感度はどの程度か、そして Belle II は現在の不一致を解消するのに役立つか？
• RQ4 半随伴、放射、レプトン性B 衰退、チャーム物理、τ レプトン観測、ダークセクターチャネルにおいて、Belle II でアクセス可能となる非SMの署名は何か？
• RQ5 独立した系統と測定を通じて新しい物理を制約する点で、Belle II は他の実験（例：LHCb）とどのように補完するか？

主な発見

• ループ支配チャネルのCP 破れ感度はルミノシティとともに改善され、例えば η′K_S⁰ の ΔS は 50 ab⁻¹ で 0.007 (stat) および 0.013 (syst) に近づく。
• φK_S⁰ 終状態では、50 ab⁻¹ で不確かさは約 0.015 (stat) および 0.028 (syst) に達する。
• (c c)K⁰ モードは今なお強力な参照であり、50 ab⁻¹ で予測不確かさは 0.003 (stat) および 0.007 (syst) まで低下する。
• φ₂ は B→ρρ 衰退で 10 ab⁻¹ から約 2.5° の精度で測定でき、すべてのアイソスピン関連モードと π⁰π⁰ 分析を組み合わせた場合、50 ab⁻¹ で約 0.6° の可能性がある。
• φ₃ は B⁻→D(K_S⁰h⁺h⁻)K⁻ チャネルで 10 ab⁻¹ で約 3.5°、50 ab⁻¹ で約 1.9° に到達する見込であり、追加の D 衰退モードと外部のチャーム-強相位入力 からさらなる向上が見込まれる。
• Belle II は、複数の排他的チャネルと高精度のフォーマ-factorアクセスを活用することにより、全体としての |V_ub| および |V_cb| プログラムのより高い精度を達成し、現在の inclusive-exclusive の緊張を解消することを見込んでいる。