[논문 리뷰] BR(Bs to mu+ mu-) as an electroweak precision test

Diego Guadagnoli, Gino Isidori|arXiv (Cornell University)|2013. 02. 15.

Particle physics theoretical and experimental studies참고 문헌 35인용 수 26

한 줄 요약

이 논문은 효과적 장 이론 접근법을 사용하여 희귀 붕괴 $B_s \to \mu^+\mu^-$가 새로운 물리학에 대한 엄격한 양자전자력 정밀도 시험을 제공하며, 특히 아래형 쿼크로의 수정된 Z 보손 결합을 제약함을 보여준다. 최소 flavor 위반(MFV) 또는 일반적인 부분 복합성(PC)의 가정 하에 현재 LHCb에서 측정한 $B(B_s \to \mu^+\mu^-)$는 왼쪽 편향 결합 $δ g_L$에 대해 Z-피크 관측값과 유사한 제약 조건을 제공하지만, 오른쪽 편향 결합 $δ g_R$의 경우 $B_s \to \mu^+\mu^-$에서 유도된 제약 조건은 Z 붕괴에서의 것보다 두 개 이상의 주기수만큼 더 강력하며, 특히 PC 모델에서 그러하다.

ABSTRACT

Using an effective-theory approach, we analyze the impact of BR(Bs to mu+ mu-) in constraining new-physics models that predict modifications of the Z-boson couplings to down-type quarks. Under motivated assumptions about the flavor structure of the effective theory, we show that the bounds presently derived from BR(Bs to mu+ mu-) on the effective Z-boson couplings are comparable (in the case of minimal flavor violation) or significantly more stringent (in the case of generic partial compositeness) with respect to those derived from observables at the Z peak.

연구 동기 및 목표

• 희귀 붕괴 $B_s \to \mu^+\mu^-$가 아래형 쿼크로의 Z 보손 결합에 대한 새로운 물리학의 감도를 평가하기 위해.
• Z 피크에서의 전자약력 정밀도 관측값에서 유도된 효과적 Z 보손 결합에 대한 제약 조건과 $B_s \to \mu^+\mu^-$에서 유도된 제약 조건를 비교하기 위해.
• 최소 flavor 위반(MFV)과 일반적인 부분 복합성(PC) 등의 맛 구조 가정이 맛 대각선 및 맛 변화 결합 간의 상관관계에 미치는 영향을 평가하기 위해.
• Z \to b\bar{b}$에 영향을 주는 새로운 물리학에 대해 $B_s \to \mu^+\mu^-$가 Z-피크 데이터보다 더 엄격한 제약 조건을 제공할 수 있는지 확인하기 위해.

제안 방법

• 차원 6 연산자를 통해 아래형 쿼크로의 Z 보손 결합에서의 편차를 기술하는 효과적 장 이론 프레임워크를 사용하였다.
• 효과적 라그랑지안에는 $B_s \to \mu^+\mu^-$와 $Z \to b\bar{b}$에 대한 수준에서 기여하는 연산자 $O^{1L}_{ij}, O^{1R}_{ij}, O^{2L}_{ij}$ 가 포함되어 있다.
• 맛 구조는 두 가정 하에 모델링되었다: MFV에서는 결합이 CKM 및 얀코프 행렬을 통해 상관되며, PC에서는 결합이 복합 상태의 혼합 매개변수에 비례한다.
• $\delta g_{L,R}^{ij}$에 대한 제약 조건은 $B(B_s \to \mu^+\mu^-)$와 $R_b$, $A^b_{\text{FB}}$, $\alpha_s(M_Z)$ 등의 Z 피크 관측값과의 관계를 통해 유도되었다.
• 표준모형(SM) 예측과 편차를 계산하기 위해 최신의 SM 입력값, 즉 $m_t = 173.2$ GeV, $\alpha_s(M_Z) = 0.1184$, $M_H = 125$ GeV를 사용하였다.
• 미래의 $B(B_s \to \mu^+\mu^-)$ 감도 향상(예: $\sigma = 0.3 \times 10^{-9}$)을 활용하여 $\delta g_{L,R}$에 대한 향후 제약 조건을 추정하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 Z 보손이 아래형 쿼크로의 수정된 결합에 대한 제약 조건에서 $B_s \to \mu^+\mu^-$의 결과는 Z 피크 정밀도 관측값과 어떻게 비교되는가?
• RQ2 MFV와 PC의 맛 구조 가정 하에서 $B_s \to \mu^+\mu^-$는 $\delta g_L$과 $\delta g_R$에 대해 어느 쪽에서 더 강력한 제약 조건을 제공하는가?
• RQ3 $B_s \to \mu^+\mu^-$는 Z-피크 데이터로는 감지되지 않는 $Z \to b\bar{b}$ 결합의 미세한 새로운 물리 효과를 탐지할 수 있는가?
• RQ4 미래 실험 정밀도를 고려할 때 $B_s \to \mu^+\mu^-$의 $\delta g_L$과 $\delta g_R$에 대한 예상 감도는 어떠한가?

주요 결과

• 현재 실험적 제약 조건인 $B(B_s \to \mu^+\mu^-)$는 3.5σ 신호로 $3.2^{+1.5}_{-1.2} \times 10^{-9}$로 측정되었으며, MFV 가정 하에 $\delta g_L$에 대한 제약 조건이 Z-피크 관측값과 유사한 수준이다.
• 부분 복합성 프레임워크에서 $\delta g_R$에 대한 $B_s \to \mu^+\mu^-$의 제약 조건은 Z 붕괴에서 유도된 것보다 두 개 이상의 주기수만큼 더 강력하다.
• 미래 실험 오차가 $\pm 0.3 \times 10^{-9}$로 예상될 경우, PC 모델에서 95% 신뢰수준의 $\delta g_R$ 제약 조건은 $< 3.3 \times 10^{-5}$가 되며, 현재의 제약 조건보다 크게 향상된다.
• MFV 모델에서 $\delta g_L$에 의한 효과적 스케일 $\Lambda$의 제약 조건은 $\Lambda > 2.6$ TeV이며, PC 모델에서는 $m_\rho > (g_\rho \epsilon^q_3) \times 2.6$ TeV이다.
• PC 모델에서 $\delta g_R$의 제약 조건은 $m_\rho > 0.23 \, \text{TeV} / \epsilon^q_3$이며, $\epsilon^q_3 \ll 1$일 때 중요해지며, 이 경우 $\delta g_L$의 제약 조건는 약화된다.
• 조금도 $B_s \to \mu^+\mu^-$에서의 편차가 관측되지 않더라도, MFV 모델에서 $\delta g_R$에 대한 제약 조건는 Z-피크 제약 조건보다 더 엄격해진다.