[論文レビュー] Testing the Standard Model under the weight of heavy flavors

Chris Bouchard|arXiv (Cornell University)|Jan 13, 2015

Particle physics theoretical and experimental studies参考文献 54被引用数 5

ひとこと要約

この論文は、charmおよびbottomクォーク物理学における最近の格子QCD計算をレビューし、理論的精度と現在および将来の実験データを比較して、標準模型の検証を行う。$|V_{ub}|$, $|V_{cb}|$, $ackslash mathcaligackslash{R}(D)$, $ackslash mathcaligackslash{R}(D^*)$, およびレア $B_{(s)}$ 衰えにおいて、標準模型を超える新しい物理を示唆する可能性のある矛盾を特定する。

ABSTRACT

I review recently completed (since Lattice 2013) and ongoing lattice calculations in charm and bottom flavor physics. A comparison of the precision of lattice and experiment is made using both current experimental results and projected experimental precision in 2020. The combination of experiment and theory reveals several tensions between nature and the Standard Model. These tensions are reviewed in light of recent lattice results.

研究の動機と目的

• charmおよびbottomクォークの崩壊における格子QCD計算の現在の精度が、実験的期待値に対してどの程度であるかを評価すること。
• 結合された格子および実験的入力を用いて、実験的測定値と標準模型の予測との間に生じる乖離を同定すること。
• 特に $|V_{ub}|$, $|V_{cb}|$, および $|V_{cs}|$ のCKM行列要素の決定における緊張を評価し、新しい物理の兆候としての可能性を検討すること。
• レア崩壊および混合過程（例：$B_{(s)}$ 混合、$D$ 混合）が標準模型の予測からどの程度逸脱しているかを検討すること。
• 標準模型を超える新しい物理に対して最も感受性が高い観測量を特定することで、将来の実験的および理論的取り組みを導くこと。

提案手法

• $D$および$B$メソンのレプトン的および半レプトン的崩壊のための崩壊定数（$f_{\mathcal{P}}$）および形因子を格子QCDを用いて計算する。
• 非摂動的正規化および $\mathcal{O}(a)$-補正付きの作用（例：HISQ, asqtad, NRQCD）を、物理的クォーク質量を用いた $N_f=2+1+1$ および $N_f=2$ エンsemblesに適用する。
• 四クォーク演算子のハドロン行列要素を用いて、$B_{(s)}$ および $D$ 混合のバッグパラメータ（$B^{(1)}_{B_{(s)}}$, $B^{(1)}_{D}$）を計算する。
• 格子の結果と実験的分岐比および寿命を組み合わせることで、CKM行列要素を抽出し、CKM行列のユニタリティを検証する。
• 将来の実験的精度（例：BelleIIが50 ab$^{-1}$、BESIIIが20 fb$^{-1}$）を予測し、格子の不確実性と比較する。
• 有効場理論を用いてレア崩壊および混合を分析し、短距離寄与およびSU(3)対称性の破れ効果に焦点を当てる。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 包括的崩壊と排他的崩壊を用いた $|V_{ub}|$ および $|V_{cb}|$ の決定において、格子QCDの予測と実験的測定値の間に緊張が生じているか？
• RQ2 $\mathcal{R}(D)$ および $\mathcal{R}(D^*)$ の比が、標準模型の予測から逸脱しており、新しい物理を示唆している可能性があるか？
• RQ3 $D$および$B_{(s)}$ 混合のバッグパラメータの格子計算の精度が、現在および将来の実験的感度と比べてどの程度か？
• RQ4 $D_{(s)}$ および $B_{(s)}$ メソンのレプトン的および半レプトン的崩壊における格子計算が、CKM行列のパラダイムに一貫性の欠如を示しているか？
• RQ5 格子QCDが、レア $B_{(s)}$ 崩壊および $B$ 混合のハドロン行列要素を制約する役割を果たすのはどのようなものか？また、それらが新しい物理探索に与える影響は？

主な発見

• 現在の $D$および$B$ メソンの崩壊定数の格子計算は、1–3%の精度に達しており、2020年までに達成予想の実験的精度（1–2%）に近づいている。
• FNAL/MILCおよびETM共同研究グループは、$D$ 混合バッグパラメータを3–5%の精度で報告しており、現在の実験的制限よりも5倍も高い精度である。
• $B_{(s)}$ 混合に関しては、FNAL/MILCが行列要素 $\langle\bar{B}^0_s|O_1^{\Delta_b=2}|B^0_s\rangle$ の誤差を約9%で予測し、$\xi$（SU(3)対称性の破れ比）は2%未満の精度に達している。
• 包括的と排他的な $|V_{ub}|$ および $|V_{cb}|$ 決定の間には、依然として緊張が存在しており、一部の解析では2–3σのずれが観測されている。
• $\mathcal{R}(D)$ および $\mathcal{R}(D^*)$ の比は、依然として標準模型の予測を大きく上回っており、格子計算によるハドロン形因子の制約が重要である。
• レア $B_{(s)}$ 崩壊の分岐比には、標準模型の予測と乖離が見られ、ハドロン行列要素の格子計算がこれらの異常を検証するために不可欠である。