[논문 리뷰] $B_s$ Decays and Mixing

Jonathan L. Rosner, Michael Gronau|arXiv (Cornell University)|2011. 05. 10.

Particle physics theoretical and experimental studies참고 문헌 4인용 수 6

한 줄 요약

이 논문은 $B_s$ 메손 붕괴 및 혼합에 관한 최근 실험 결과를 분석하며, $B_s \to J/\psi\phi$에서의 CP 위반, D0 딤유온 전하 비대칭, 삼중 곱 관측량을 중심으로 다룬다. 표준 모형을 초월한 CP 위반 탐지를 위해 시간에 따라 변화하는 각도 분석을 제안하고, 태그된 붕괴율에서의 관측 가능한 진동 현상에 대한 예측을 갱신하며, 영향 길이 컷을 활용해 $b$-쿼크 붕괴와 케이온 배경을 구별함으로써 D0 비대칭의 기원을 시험한다.

ABSTRACT

Theoretical remarks are offered regarding recent hadron collider results on the mixing and decays of $B_s$ mesons. Topics covered include: (1) CP-violating mixing in $B_s(\ob_s) o J/ψϕ$, (2) the D0 dimuon charge asymmetry, (3) information from triple products, (4) $B_s o J/ψf_0$, (5) new physics constraints, (6) some illustrative new physics scenarios.

연구 동기 및 목표

• 관측된 $B_s$ 혼합 위상 $\phi_M$ 가 표준 모형 예측에서 유의미하게 벗어나는지 평가하는 것.
• D0 딤유온 전하 비대칭의 기원을 시험하여 $b$-쿼크 붕괴와 케이온 배경 기여를 구별하는 것.
• 특정 운동량 조건 하에서 $B_{(s)} \to V_1V_2$ 붕괴에서 삼중 곱 관측량의 CP 위반에 대한 민감도를 평가하는 것.
• $B_s \to J/\psi f_0$ 붕괴로부터의 새로운 물리 제약과 비표준 $\Delta\Gamma_s$ 및 혼합 위상의 의미를 탐색하는 것.
• 이상 현상들을 설명할 수 있는 가능성이 있는 새로운 물리 현상 시나리오, 예를 들어 은신 세트 및 네 번째 세대 모델을 제안하는 것.

제안 방법

• 혼합과 붕괴 진폭 간 간섭으로 유도된 시간에 따라 변화하는 각도 분포 계수 $\mathcal{T}_\pm(t)$ 를 사용하여 $B_s \to J/\psi\phi$에서의 CP 위반을 탐색한다.
• 공식 $\mathcal{T}_\pm = e^{-\Gamma t} \left[ \frac{\cosh(\Delta\Gamma t)}{2} \mp \cos(\phi_M) \frac{\sinh(\Delta\Gamma t)}{2} \pm \eta \sin(\phi_M) \sin(\Delta m_s t) \right]$ 를 적용하며, 여기서 $\eta = \pm 1$ 은 $B_s$ 또는 $\overline{B}_s$ 태깅을 나타낸다.
• 영향 길이 컷 ($b < 100~\mu$m) 을 사용하여 $b\bar{b}$-쌍 기여를 억제하고 D0 딤유온 비대칭이 $b$-쿼크 붕괴인지 케이온 배경 기여인지 테스트한다.
• 뮤온 방출 각도를 $B$의 정지 프레임에서 실험 프레임으로 연결하기 위해 변환식 $\sin\theta = \sin\theta^*/[\gamma(1 + \beta\cos\theta^*)]$ 를 사용하며, 이는 평균 영향 길이 $\langle b \rangle$ 추정에 기여한다.
• 네 입자 붕괴에서 삼중 곱 관측량을 분석하여 T-홀드, CP-홀드 정보를 추출하며, 민감도는 운동량 및 각도 구성 조건에 따라 달라진다.
• 평균화된 $\Delta m_s = 17.70 \pm 0.08$ ps$^{-1}$ 와 $\Delta\Gamma_s = 0.094 \pm 0.031$ ps$^{-1}$ 를 사용하여 관계식 $a^{s}_{sl} = (|\Delta\Gamma_s|/\Delta m_s) \tan\phi_s$ 를 통해 새로운 물리 제약를 평가한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 관측된 $\phi_M = -39^\circ \pm 17^\circ$ 가 $\mathcal{T}_\pm$ 의 시간에 따라 변화하는 진동 현상으로서 측정 가능하게 유지되는가?
• RQ2 D0 딤유온 전하 비대칭은 주로 $b$-쿼크 붕괴에 기인하는가, 아니면 케이온 배경 기여에 의해 지배되는가?
• RQ3 $B_{(s)} \to V_1V_2$ 붕괴에서 삼중 곱 관측량이 CP 위반에 대해 명확한 정보를 제공하는 정도는 어느 정도인가?
• RQ4 D0 비대칭은 새로운 물리 현상에 대해 어떤 의미를 갖는가, 특히 $a^{s}_{sl}$ 과 $\phi_s$ 측면에서 말이다?
• RQ5 은신 세트 또는 네 번째 세대 모델은 관측된 $B_s$ 혼합 및 붕괴 관측치의 이상 현상들을 설명할 수 있는가?

주요 결과

• 업데이트된 시간에 따라 변화하는 분석 결과, $\phi_M = -39^\circ \pm 17^\circ$, $\Delta\Gamma/\Gamma = 0.143$, 11% 태깅 희석 조건 하에서 $\mathcal{T}_\pm$ 의 진동 현상이 여전히 관측 가능하며, 표준 모형을 초월한 측정 가능한 CP 위반을 지지한다.
• D0 딤유온 비대칭 ($A_{sl}^b = -9.57 \times 10^{-3}$) 은 표준 모형 예측보다 50배 크며, 새로운 물리 현상 신호일 가능성이 있으나 배경 제거 과정이 핵심임을 시사한다.
• 영향 길이 컷 $b < 100~\mu$m 를 제안하여 $b\bar{b}$ 쌍 기여를 억제하고 비대칭 기원이 $b$ 붕괴인지 케이온 배경인지 테스트한다.
• $B_{(s)} \to V_1V_2$ 붕괴에서 삼중 곱 관측량은 강한 위상과 약한 위상 간의 상호작용에 따라 특정 운동량 조건에서만 CP 위반을 측정할 수 있다.
• D0 비대칭과 평균화된 $\Delta m_s$ 를 사용한 분석 결과 $\phi_s = (-67^{+18}_{-7})^\circ$ 를 도출하였으며, 이는 $\phi_M = -39^\circ \pm 17^\circ$ 측정치와 일치하지 않아 새로운 물리 현상 또는 더 큰 $\Delta\Gamma_s$ 를 시사한다.
• 은신 세트나 네 번째 세대 모델과 같은 새로운 물리 현상 시나리오는 이상 현상들을 설명할 수 있는 타당한 후보이며, 후자는 $B_s$ 혼합에서의 플레이버 변화 효과에 자연스러운 프레임워크를 제공한다.