[논문 리뷰] New physics correlations in rare decays

David M. Straub|arXiv (Cornell University)|2010. 12. 17.

Particle physics theoretical and experimental studies참고 문헌 14인용 수 22

한 줄 요약

이 논문은 표준모형을 초월한 새로운 물리학(NP)의 편극성과 플레버 구조를 규명하기 위해 희귀 B 및 K 붕괴 간 상관관계를 조사한다. 효과적 양자장 이론에서 윌슨 계수를 분석함으로써, $B\to K^{*}\nu\bar{\nu}$ 및 $B\to K\nu\bar{\nu}$ 붕괴의 동시 측정이 좌측과 우측 편극성 NP 전류를 구별할 수 있음을 보여주며, SM 유사 상관관계에서의 편차는 양편극성에서 새로운 물리학이 존재함을 시사한다.

ABSTRACT

This talk gives an overview of correlations between new physics effects in rare B and K decays arising in concrete models or on a model-independent basis and discusses how these correlations can be utilized to distinguish between different classes of new physics scenarios.

연구 동기 및 목표

• 희귀 B 및 K 붕괴 간 상관관계가 다양한 새로운 물리학 시나리오를 어떻게 구별할 수 있는지 규명하는 것.
• 특히 LHC 시대에 있어서 희귀 붕괴가 표준모형을 초월한 물리학의 플레버 구조를 어떻게 탐색할 수 있는지 탐색하는 것.
• 독립적이고 포함적인 $b\to s\nu\bar{\nu}$ 붕괴가 NP 윌슨 계수에 대한 상보적인 제약 조건을 제공함을 보여주는 것.
• 특히 $B\to K^{*}\nu\bar{\nu}$ 및 $B\to K\nu\bar{\nu}$ 붕괴 간 상관관계가 NP 기여의 편극성(좌측 또는 우측)을 어떻게 드러내는지 보여주는 것.
• 유사한 LHC 서명을 가진 NP 모델을 구별하는 데 있어 희귀 붕괴가 필수적임을 주장하는 것. 특히 플레버 구조가 핵심일 경우에 해당한다.

제안 방법

• NP 기여를 기술하기 위해 윌슨 계수 $C_i^{ij}$를 사용하는 효과적 장 이론을 사용한다. 이는 $b\to s$, $b\to d$, $s\to d$ 전이에 대해 적용된다.
• 효과적 해밀토니안 $\mathcal{H}_{\text{eff}}^{d_i\to d_j}$ 를 통한 모델 독립적 분석을 적용하며, $Q_7$부터 $Q_{10}$, $Q_S$, $Q_P$, $Q_{L,R}$ 등의 연산자를 중심으로 분석한다.
• NP 효과를 $b\to s\nu\bar{\nu}$ 붕괴에 매개변수화하기 위해 두 개의 실수 조합 $\epsilon$과 $\eta$를 도입하며, 이를 분해율과 극화 분율과 연결한다.
• K^*\to K\pi의 각도 분석을 통해 종방향 극화 분율 $F_L$을 추출한다. 이는 $C_L^{bs}$와 $C_R^{bs}$에 의존한다.
• 포함형 붕괴 $B\to X_s\ell^+\ell^-$를 사용하여 $Z$-펜타곤 지배 가정 하에 NP를 제약하며, $C_L^{bs}$–$C_R^{bs}$ 평면을 구속한다.
• 세 가지 전략을 통한 분석: 연산자 지배, 최소 플레버 위반(Minimal Flavour Violation, MFV), 그리고 구체적인 NP 모델을 통해 관측 가능한 패tern을 예측한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 유사한 LHC 서명을 가진 다양한 새로운 물리학 시나리오를 구별하는 데 있어 희귀 B 및 K 붕괴 간 상관관계는 어떻게 기여하는가?
• RQ2 B\to K^{*}\nu\bar{\nu}$ 및 $B\to K\nu\bar{\nu}$ 붕괴를 동시에 측정하는 것이 NP의 편극성 구조를 규명하는 데 어떤 함의를 갖는가?
• RQ3 낮은 $q^2$ 영역에서의 포함형 $B\to X_s\ell^+\ell^-$ 붕괴 확률이 $b\to s\nu\bar{\nu}$ 붕괴에 대한 NP 기여를 어느 정도 제약하는가?
• RQ4 최소 플레버 위반과 같은 플레버 대칭성은 다양한 $b\to s$, $b\to d$, $s\to d$ 전이 간 상관관계를 어떻게 예측하는가?
• RQ5 표준모형 예측이 잘 알려져 있을 때, $B\to K^{*}\nu\bar{\nu}$와 같은 독립 붕괴는 표준모형을 초월한 새로운 물리학을 탐색하는 데 어떤 역할을 하는가?

주요 결과

• $\text{BR}(B\to K^{*}\nu\bar{\nu})$와 $\text{BR}(B\to K\nu\bar{\nu})$ 간의 상관관계는 비율 $\eta = -\text{Re}(C_L^{bs} C_R^{bs*}) / (|C_L^{bs}|^2 + |C_R^{bs}|^2)$ 에 따라 달라지며, $\eta=0$일 경우 오직 좌측 편극성 전류만 존재함을 나타낸다.
• NP가 오직 $C_L^{bs}$를 통해 기여할 경우, 두 분해율은 균일하게 비례하며 $\epsilon$–$\eta$ 평면에서 직선 상관관계를 형성한다.
• NP가 $C_R^{bs}$를 통해 기여하고 $C_L^{bs}$가 표준모형 값 그대로 유지될 경우, 두 분해율은 반대 상관관계를 보이며 $\epsilon$–$\eta$ 평면에서 특별한 곡선을 형성한다.
• 만약 $C_R=0$ 및 $C_L=C_L^{\text{SM}}$ 곡선에서의 두 가지 편차가 관측된다면, 좌우 양편극성 전류 모두에 NP 기여가 존재함을 시사한다.
• 낮은 $q^2$ 영역에서의 포함형 $B\to X_s\ell^+\ell^-$ 붕괴는 $Z$-펜타곤 지배를 가정할 경우, 그림 4에서 좁은 빨간색 밴드로 $C_L^{bs}$–$C_R^{bs}$ 평면을 제약하며, 큰 편차를 배제한다.
• 독립형 $B\to K^{*}\nu\bar{\nu}$ 및 $B\to K\nu\bar{\nu}$ 붕괴는 $B\to X_s\nu\bar{\nu}$보다 NP 편극성에 더 민감하므로, NP의 성격을 규명하는 데 핵심적인 역할을 한다.