[論文レビュー] Status of New Physics searches with $b o s \ell^{+}\ell^{-}$ transitions @ LHCb

S. Bifani|arXiv (Cornell University)|May 7, 2017

Particle physics theoretical and experimental studies参考文献 5被引用数 6

ひとこと要約

この論文は、分岐率、角度分布、および軽レプトンの普遍性テストを用いて、LHCbが最新の希少な $b \to s \ell^+\ell^-$ 衰えにおける新しい物理を探索した結果をレビューしている。主な乖離は、$B_s^0 \to \phi \mu^+\mu^-$ で $3.3\sigma$ の不一致、$P_5'$ 角度観測量で $3\sigma$ の異常、$R_K$ 確率比で $2.6\sigma$ の乖離であり、これらはすべて標準模型を越える物理現象の兆候を示唆している。

ABSTRACT

Rare decays of heavy-flavoured particles provide an ideal laboratory to look for deviations from the Standard Model, and explore energy regimes beyond the LHC reach. Decays proceeding via electroweak penguin diagrams are excellent probes to search for New Physics, and $b o s \ell^{+}\ell^{-}$ processes are particularly interesting since they give access to many observables such as branching fractions, asymmetries and angular observables. Recent results from the LHCb experiment are reviewed.

研究の動機と目的

• LHCにおける正確な測定を用いて、希少な $b \to s \ell^+\ell^-$ 衰えにおいて標準模型を越える物理を探索すること。
• muonsとelectronsを含む分岐率比、たとえば $R_K$ と $R_{K^{*0}}$ を用いた軽レプトンの普遍性のテストを行うこと。
• $B^0 \to K^{*0} \mu^+\mu^-$ 衰えにおける $P_5'$ や $A_{FB}$ のような角度観測量を通じて新しい物理を探ること。
• $q^2$-微分分岐率の低 $q^2$ 範囲における、標準模型の予測と実験データの不一致を評価すること。
• $B_s^0 \to \phi \mu^+\mu^-$ および $\Lambda_b^0 \to \Lambda \mu^+\mu^-$ 衰えが標準模型の期待値とどの程度整合するかを評価すること。

提案手法

• Run-1 LHCデータを用いて、$B^0 \to K^{*0} \mu^+\mu^-$、$B_s^0 \to \phi \mu^+\mu^-$、$B^+ \to K^+ \mu^+\mu^-$、および $\Lambda_b^0 \to \Lambda \mu^+\mu^-$ の $q^2$-微分分岐率を測定すること。
• $B^0 \to K^{*0} \mu^+\mu^-$ の完全な角度解析を実施し、CP平均化角度項およびCP非対称性（$P_5'$ と $F_L$ を含む）を抽出すること。
• 二重比技術を用いて、$R_K = \mathcal{B}(B^+ \to K^+ \mu^+\mu^-)/\mathcal{B}(B^+ \to K^+ e^+e^-)$ および $R_{K^{*0}}$ を測定することで、軽レプトンの普遍性をテストすること。
• muonsとelectrons間の再構成効率の違いを制御するため、$B^0 \to K^{*0} J/\psi \to \ell^+\ell^-$ 衰えを基準として用いること。
• 理論的比を用いてハドロン的フォーム因子への感度を低下させ、$P_5'$ やその他の角度項の精度を向上させること。
• 複数の衰えモードおよび $q^2$ 範囲にわたる実験結果と標準模型の予測を比較し、持続的な乖離を特定すること。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 低 $q^2$ 範囲において、$b \to s \ell^+\ell^-$ 衰えの $q^2$-微分分岐率に標準模型からの顕著な乖離が見られるか？
• RQ2 $B^0 \to K^{*0} \mu^+\mu^-$ における角度観測量 $P_5'$ は、標準模型の予測から局所的に乖離しているか？
• RQ3 $R_K$ 確率比によって示唆されるように、$b \to s \ell^+\ell^-$ 衰えで軽レプトンの普遍性が破れているか？
• RQ4 $B_s^0 \to \phi \mu^+\mu^-$ および $\Lambda_b^0 \to \Lambda \mu^+\mu^-$ の測定分岐率は、標準模型の期待値と一致するか？
• RQ5 $R_K$、$P_5'$、および $R_{D^*}$ の観察された異常は、一貫した新しい物理モデルで説明可能か？

主な発見

• $1 < q^2 < 6~\mathrm{GeV^2}/c^4$ 範囲における $B_s^0 \to \phi \mu^+\mu^-$ の分岐率は、標準模型の予測より $3.3\sigma$ 低い。
• $4 < q^2 < 8~\mathrm{GeV^2}/c^4$ 範囲において、$B^0 \to K^{*0} \mu^+\mu^-$ の $P_5'$ 角度観測量は、標準模型の予測から $3\sigma$ の局所的乖離を示している。
• $R_K$ 確率比は $0.745^{+0.090}_{-0.074}~\mathrm{(stat)} \pm 0.036~\mathrm{(syst)}$ と測定され、標準模型の予測と $2.6\sigma$ の不一致を示している。
• $B^0 \to D^{*+} \tau^- \bar{\nu}_\tau$ と $B^0 \to D^{*+} \mu^- \bar{\nu}_\mu$ の $R_{D^*}$ 確率比は $0.336 \pm 0.027~\mathrm{(stat)} \pm 0.030~\mathrm{(syst)}$ であり、標準模型の値より $2.1\sigma$ 大きい。
• $B^+ \to \pi^+ \mu^+\mu^-$ の分岐率は、$\rho$ および $\omega$ 共鳴状態をフィットに含めた場合にのみ、標準模型と整合する。
• $B^0 \to K^{*0} e^+e^-$ の角度解析では、$0.002 < q^2 < 1.120~\mathrm{GeV^2}/c^4$ 範囲ですべての観測量が標準模型の予測と整合している。