[論文レビュー] The strange side of LHCb

M. Borsato, V. V. Gligorov+3 more|arXiv (Cornell University)|Aug 6, 2018

Particle physics theoretical and experimental studies参考文献 45被引用数 15

ひとこと要約

この論文は、$B$-メソン崩壊における異常から示唆される新しい物理学のための有効なプローブとして、レプトンフラバー違反（LFV）kaon崩壊、特に $K^+ \to \pi^+ \mu^\pm e^\mp$ が有効であると主張している。有効場理論を用いて、$\Lambda \sim 5-15$ TeV の場合、$10^{-12}$ から $10^{-13}$ の分岐比が可能であることが示され、LHCbの高インテンシティアップグレードがこの範囲を探索可能であることを示す可能性のある研究が行われた。

ABSTRACT

We provide general effective-theory arguments relating present-day discrepancies in semi-leptonic $B$-meson decays to signals in kaon physics, in particular lepton-flavour violating ones of the kind $K o (π) e^\pm μ^\mp$. We show that $K$-decay branching ratios of around $10^{-12} - 10^{-13}$ are possible, for effective-theory cutoffs around $5-15$ TeV compatible with discrepancies in $B o K^{(\ast)} μμ$ decays. We perform a feasibility study of the reach for such decays at LHCb, taking $K^+ o π^+ μ^\pm e^\mp$ as a benchmark. In spite of the long lifetime of the $K^+$ compared to the detector size, the huge statistics anticipated as well as the overall detector performance translate into encouraging results. These include the possibility to reach the $10^{-12}$ ballpark, and thereby significantly improve current limits. Our results advocate LHC's high-luminosity Upgrade phase, and support analogous sensitivity studies at other facilities. Given the performance uncertainties inherent in the Upgrade phase, our conclusions are based on a range of assumptions we deem realistic on the particle identification performance as well as on the kinematic reconstruction thresholds for the signal candidates.

研究の動機と目的

• 半レプトン的 $B$-メソン崩壊における異常、特に $B \to K^{(*)} \mu\mu$ のずれと、レプトンフラバー違反（LFV）kaon崩壊を結びつけること。
• $B$-物理学の兆候と整合する観測可能なLFV $K \to \pi \ell \ell$ 分岐比を予測する有効理論的根拠を提示すること。
• アップグレードされたLHCb実験における $K^+ \to \pi^+ \mu^\pm e^\mp$ の検出可能性を評価すること。
• 性能の不確実性を考慮した場合の、LHCbによるレアかつLFV kaon崩壊への感受性の現実的なベンチマークを設定すること。

提案手法

• UVのカットオフ $\Lambda \sim 5-15$ TeV における左巻きカレントの積 ($\bar{b}_L \gamma^\alpha b_L$)($\bar{\tau}_L \gamma_\alpha \tau_L$) を持つ有効場理論を構築し、$B$-崩壊異常を説明すること。
• 電弱対称性の破れ後の質量固有状態基底に有効相互作用を書き直し、$s \to d$ 遷移におけるフラバー構造 $\lambda^{q,\ell}$ を導入してLFVを予測すること。
• 位相空間依存性を除去するために崩壊率を正規化し、$K \to \pi \mu e$ と $K \to \pi \mu \mu$、$K \to \pi e\mu$ モードの比較を可能にすること。
• LHCbにおける信号再構築の詳細なシミュレーションを実施し、粒子識別（PID）性能や $p_T$ カットの仮定を変化させること。
• 誤識別確率の現実的な範囲（例：$\pi \to \mu$ で 0.1% から 5%）を用いて、バックグラウンド抑制と信号到達限界を評価すること。
• 13 TeV $pp$ 衝突における 300 fb$^{-1}$ のデータを想定し、トリガ、再構築、PID性能を考慮した感度の推定を行う。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 有効場理論モデルによって、$B$-メソン崩壊異常を説明するものとして、レプトンフラバー違反kaon崩壊を予測できるか？
• RQ2 UVカットオフ $\Lambda \sim 5-15$ TeV と $B$-物理学データと整合する場合、$K \to \pi \mu e$ の分岐比はどの程度期待されるか？
• RQ3 専用kaon実験ではないにもかかわらず、LHCbが $K \to \pi \mu e$ を $10^{-12}$ レベルで探査可能か？
• RQ4 PID性能や再構築のしきい値の不確実性が、LHCbにおける稀なkaon崩壊への感度にどのように影響するか？

主な発見

• 有効場理論により、UVカットオフ $\Lambda \sim 5-15$ TeV の場合、$K \to \pi \mu e$ の分岐比が $10^{-12}$ から $10^{-13}$ の範囲に予測される。
• LHCbの高インテンシティアップグレードにより、$K^+ \to \pi^+ \mu^\pm e^\mp$ を $10^{-12}$ 分岐比レベルまで探査可能となり、現在の制限を著しく改善する。
• 粒子識別（例：$\pi \to \mu$ の誤識別率が5%）についても保守的な仮定を置いても、LHCbは専用実験と競争力のある感度を達成できる。
• 本研究では、$K^+ \to \pi^+ \mu^\pm e^\mp$ を、将来的なLHCbおよび他の施設における感度研究のベンチマークモードとして特定した。
• 結果から、特に高度なPIDと再構築性能を備えたLHCbの性能が、稀でLFV kaon崩壊の主要な探査手段となり得ることが示唆された。
• 可能性のある研究は、将来的なLHCbやNA62、および計画中のTauFV実験のような他の施設における専用感度分析を支援する。