[논문 리뷰] Implications of $b o s$ measurements

Wolfgang Altmannshofer, David M. Straub|arXiv (Cornell University)|2015. 03. 20.

Particle physics theoretical and experimental studies참고 문헌 23인용 수 73

한 줄 요약

이 논문은 $b \to s\mu^+\mu^-$ 붕괴에 대한 전역 모형 독립적 피팅을 제시하며, 새로운 물리가 윌슨 계수 $C_9$ 를 변화시킬 경우 표준모형과 3.7σ의 괴리가 있음을 발견한다. 새로운 물리가 뮤온 모드에만 영향을 주고 $b \to se^+e^-$ 데이터를 포함할 경우 괴리는 4.2σ로 증가하여, 이는 이론적 이상 현상의 기원으로서 강한 상호작용 효과보다는 새로운 물리의 존재를 강하게 지지한다.

ABSTRACT

The recent updated angular analysis of the $B o K^*μ^+μ^-$ decay by the LHCb collaboration is interpreted by performing a global fit to all relevant measurements probing the flavour-changing neutral current $b o sμ^+μ^-$ transition. A significant tension with Standard Model expectations is found. A solution with new physics modifying the Wilson coefficient $C_9$ is preferred over the Standard Model by $3.7σ$. The tension even increases to $4.2σ$ including also $b o se^+e^-$ measurements and assuming new physics to affect the muonic modes only. Other new physics benchmarks are discussed as well. The $q^2$ dependence of the shift in $C_9$ is suggested as a means to identify the origin of the tension - new physics or an unexpectedly large hadronic effect.

연구 동기 및 목표

• LHCb의 전체 3 fb$^{-1}$ 데이터셋에서 최신 $B\to K^{*}\mu^+\mu^-$ 각도 관측량을 바탕으로 표준모형이 새로운 데이터와 얼마나 일치하는지 평가하기 위해.
• 관측된 $b\to s\mu^+\mu^-$ 붕괴에서의 괴리 현상이 새로운 물리에 의한 것인지, 또는 과소된 강입자 불확실성에 의한 것인지 테스트하기 위해.
• 여섯 개의 실험에서의 88개 측정치를 포함한 전역 피팅을 통해, 특히 $C_9$ 에 대한 새로운 물리의 기여를 선호하는 모형을 규명하기 위해.
• $C_9^\text{NP}$ 의 $q^2$ 의존성을 통해 새로운 물리와 큰 캄프-루프 효과 사이를 식별하기 위해.
• 희귀 $B$ 붕괴에서 새로운 물리와 강한 상호작용 효과를 명확히 구별할 수 있는 실험적 및 이론적 교차 확인 사례를 규명하기 위해.

제안 방법

• 실험 데이터와 이론 예측 간의 일치도를 수량화하는 $\chi^2$ 함수를 구성하며, 실험적 및 이론적 공분산 행렬을 모두 포함한다.
• 빛선 경로 합성 규칙과 격자 QCD에서의 $B\to K^*$ 형상 인자에 대한 병합 피팅을 통해 분석에서의 이론적 불확실성을 감소시킨다.
• 여섯 개의 실험에서의 88개 관측량에 대한 전역 피팅을 수행하며, $B\to K^{*}\mu^+\mu^{-}$, $B\to K\mu^+\mu^{-}$, $B_s\to\phi\mu^+\mu^{-}$, $B\to X_s\mu^+\mu^{-}$, $B\to K^*\gamma$, $B\to X_s\gamma$, $B_s\to\mu^+\mu^{-}$ 를 포함한다.
• 표준모형과의 괴리의 유의미성을 평가하기 위해 $\chi^2_\text{SM} = 116.9$ (88개 측정치에 대해)를 사용하며, 이는 2.1%의 $p$-값에 해당한다. $e^+e^-$ 데이터를 포함한 91개 측정치에 대해 $\chi^2 = 125.8$ 이다.
• $C_9^\text{NP}$ 의 $q^2$ 의존성을 분석하여, 새로운 물리와 큰 강입자 효과(특히 $J/\psi$ 공명 부근의 캄프 루프) 사이를 식별한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 관측된 $B\to K^{*}\mu^+\mu^{-}$ 각도 관측량의 괴리가 표준모형 예측과 일치하는가, 아니면 새로운 물리의 징후인가?
• RQ2 $R_K$ 이 anomaly(르프톤의 유니버설리티 위반)는 $C_9$ 에 대한 새로운 물리 기여로 설명될 수 있는가?
• RQ3 $C_9$ 의 $q^2$ 의존성이 새로운 물리인지, 아니면 예상치 못하게 큰 캄프-루프 효과인지를 어떻게 식별할 수 있는가?
• RQ4 $B\to K^{*}\mu^+\mu^{-}$ 붕괴에서의 괴리는 과소된 형상 인자 불확실성 때문인가?
• RQ5 희 rare $B$ 붕괴에서 새로운 물리와 강입자 효과를 명확히 구별할 수 있는 실험적 서명은 무엇인가?

주요 결과

• 표준모형은 $B\to K^{*}\mu^+\mu^{-}$ 데이터만을 피팅할 경우 3.7σ의 유의미성으로 기각되며, 88개 측정치에 대해 $\chi^2_\text{SM} = 116.9$ 이다.
• $b\to se^+e^-$ 데이터를 포함할 경우 괴리는 4.2σ로 증가하며, 91개 측정치에 대해 $\chi^2_\text{SM} = 125.8$ 이다.
• 새로운 물리에 의한 $C_9$ 기여가 강하게 선호되며, 최적 피팅된 $C_9^\text{NP}$ 는 음의 이완과 일치한다.
• 모델에서 $C_9^\text{NP} = -C_{10}^\text{NP} < 0$ 는 데이터에 가장 잘 맞으며, $Z^\prime$ 또는 렙토크워크 모형과 일치한다.
• $C_9^\text{NP}$ 의 $q^2$ 의존성은 핵심적인 식별자이다: $q^2$ 에 따라 변화하는 이완은 큰 강입자 효과보다 새로운 물리의 존재를 지지한다.
• $J/\psi$ 공명 영역은 이상 현상의 기원이 캄프-루프인지 새로운 물리인지 테스트하기 위한 핵심 영역이며, 이 영역에서 큰 효과가 나타나면 새로운 물리와 유사하게 보일 수 있다.