[논문 리뷰] Correlating new physics signals in $B o D^{(*)} τν_τ$ with $B o τν_τ$

Soumitra Nandi, Sunando Kumar Patra외 1명|arXiv (Cornell University)|2016. 05. 23.

Particle physics theoretical and experimental studies인용 수 14

한 줄 요약

이 논문은 새로운 물리 신호를 $B\to D^{(*)}\tau\nu_{\tau}$에서 $B\to\tau\nu_{\tau}$로의 순수 렙톤 붕괴와 연관지켜, $\tau$ 입자 식별 오차로 인한 시스템적 불확실성을 줄이기 위해 새로운 관측량 $\mathcal{R}_{\tau}(D^{(*)}) = \mathcal{R}(D^{(*)}) / \mathcal{B}(B\to\tau\nu_{\tau})$를 제안한다. 분석 결과 표준모형과의 일관성이 확인되었으며, 이는 새로운 물리가 현재 실험 오차에 의해 숨겨져 있을 수 있음을 시사한다. 또한 향후 새로운 물리 탐색을 위해 $\mathcal{B}(B\to\tau\nu_{\tau})$의 정밀 측정이 매우 중요하다는 점을 강조한다.

ABSTRACT

Semileptonic and purely leptonic decays of B meson to $τ$, such as $B o D^{(\ast)}τν_τ$ and $B oτν_τ$ are studied. Recognizing that there already were some weak hints of possible deviations from the SM in the measurements of $\mathcal{B}(B oτν_τ)$ by \Babar~and Belle and the fact that detection of the $τ$ also occurs in the measurements of $B o D^{(\ast)}τν_τ$, we stress the importance of joint studies of these processes, whenever possible. For this purpose, as an illustration, we introduce the observable, $\mathcal{R}(D^{(*)})/\mathcal{B}(B oτν_τ)$ where, for one thing, the unknown systematics due to $τ$ identification are expected to largely cancel. We show that all measurements of this observable are consistent with the existing data, within somewhat largish experimental errors, with the predictions of the SM. We stress that precise experimental measurement and comparison with theory of the branching ratio for $B o τν_τ$ is extremely important for a reliable search of new physics. Furthermore, in view of the anticipated improved precision in experiments in the next few years, in addition to $\mathcal{R}(D^{(*)})$, host of other ratios analogous to $\mathcal{R}(D^{(*)})/\mathcal{B}(B o τν_τ)$ in the SM are suggested for lattice calculations as well, so that for more stringent tests of the SM, correlations in lattice calculations can be properly taken into account to enhance precision.

연구 동기 및 목표

• 표준모형 외의 물리 탐색에서 $B\to D^{(*)}\tau\nu_{\tau}$와 $B\to\tau\nu_{\tau}$ 붕괴를 비율을 통해 연관지켜, $\tau$ 입자 식별 오차를 상쇄함으로써 시스템적 불확실성을 줄이기 위해.
• 표준모형에서 $\mathcal{R}(D^{(*)})$의 편차가 알려지지 않은 시스템적 오차 또는 새로운 물리의 상쇄 효과에 의해 가려질 수 있는지 평가하기 위해.
• 신뢰할 수 있는 새로운 물리 탐색을 위해 $\mathcal{B}(B\to\tau\nu_{\tau})$의 정밀 실험 측정이 필수적임을 강조하기 위해.
• 향후 표준모형 검증에서 상관관계를 고려하기 위해 라티스 계산을 통해 유사 비율(예: $R_{\tau}^{M^{(*)}}$)을 제안하기 위해.

제안 방법

• 표준모형 외의 물리 탐색에서 $B\to D^{(*)}\tau\nu_{\tau}$와 $B\to\tau\nu_{\tau}$ 사이의 $\tau$ 식별 오차를 상쇄하기 위해 관측량 $\mathcal{R}_{\tau}(D^{(*)}) = \mathcal{R}(D^{(*)}) / \mathcal{B}(B\to\tau\nu_{\tau})$를 도입한다.
• BaBar, Belle, LHCb의 기존 데이터를 분석하여 $\mathcal{R}_{\tau}(D^{(*)})$가 표준모형과 일관되는지 테스트한다.
• 형식 II 2HDM의 $\tan\beta$–$m_{H^+}$ 평면에서 모델 의존적 분석을 수행하여 $\mathcal{R}_{\tau}(D^{(*)})$와 $\mathcal{B}(B\to\tau\nu_{\tau})$로부터의 제약 조건를 비교한다.
• 포괄적 최종 상태에서 새로운 물리 탐색을 위해 $b\to X_c\tau\nu_{\tau}$에 대한 새로운 포괄 비율 $R_{\tau}(X_c)$를 제안한다.
• 표준모형 검증의 정밀도 향상을 위해 $B$, $B_s$ 붕괴에 대한 유사 비율($R_{\tau}^{M^{(*)}}$)의 라티스 계산을 권장한다.
• Belle II의 향후 데이터 증가(25–50배)를 고려하여 $\mathcal{B}(B\to\tau\nu_{\tau})$ 및 관련 관측량에 대한 감도 향상을 주장한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 비율 $\mathcal{R}_{\tau}(D^{(*)}) = \mathcal{R}(D^{(*)}) / \mathcal{B}(B\to\tau\nu_{\tau})$가 새로운 물리 탐색에서 시스템적 불확실성을 줄일 수 있는가?
• RQ2 BaBar에서 관측된 $\mathcal{R}(D^{(*)})$의 긴장이 $\mathcal{B}(B\to\tau\nu_{\tau})$와 함께 표준모형과 일치하는가?
• RQ3 $\mathcal{R}_{\tau}(D^{(*)})$에서 새로운 물리 기여가 얼마나 상쇄될 수 있으며, 이로 인해 신호가 가려질 수 있는가?
• RQ4 표준모형 외의 물리 탐색에서 $\mathcal{R}_{\tau}(D^{(*)})$로부터 유도된 형식 II 2HDM의 매개변수 영역 제약 조건은 무엇이며, $\mathcal{B}(B\to\tau\nu_{\tau})$로부터의 제약 조건와 어떻게 비교되는가?
• RQ5 유사 비율($R_{\tau}^{M^{(*)}}$)의 라티스 계산이 표준모형 검증의 정밀도 향상에 어떻게 기여할 수 있는가?

주요 결과

• 관측량 $\mathcal{R}_{\tau}(D^{(*)})$는 BaBar에서 관측된 $\mathcal{R}(D^{(*)})$의 긴장에도 불구하고 실험 오차 범위 내에서 표준모형과 일관성이 있음을 보였다.
• 형식 II 2HDM에서 $m_{H^+} > 500~\text{GeV}$ 및 $\tan\beta < 25$ 조건에서는 여전히 타당성이 있으며, BaBar의 99.8% 신뢰수준에서의 배제 결과와 정면으로 배치된다.
• $\mathcal{R}_{\tau}(D^{(*)})$로부터의 $\tan\beta$–$m_{H^+}$ 평면에 대한 제약 조건는 $\mathcal{B}(B\to\tau\nu_{\tau})$로부터의 제약 조건와 일치하며, 후자가 강력한 탐색 도구임을 시사한다.
• $\mathcal{B}(B\to\pi\tau\nu_{\tau})/\mathcal{B}(B\to\tau\nu_{\tau})$의 경우 상한값만 존재하여 $\tan\beta \approx 100$의 큰 값도 여전히 허용된다.
• 포괄적 비율 $R_{\tau}(X_c)$는 새로운 탐색 도구로 제안되며, 2HDM-II 매개변수 영역에 대한 제약 조건는 주로 $\mathcal{B}(B\to\tau\nu_{\tau})$에 의해 결정된다.
• 향후 Belle II와 LHCb의 정밀도 향상으로 오차가 크게 감소할 것이며, 이에 따라 $\mathcal{B}(B\to\tau\nu_{\tau})$는 새로운 물리 탐색의 핵심 기준이 될 것이다.