[논문 리뷰] New Physics in Gamma_12^s: (sbar b) (taubar tau) Operators

Christoph Bobeth, Ulrich Haisch|arXiv (Cornell University)|2011. 09. 08.

Particle physics theoretical and experimental studies참고 문헌 53인용 수 32

한 줄 요약

이 논문은 $B_s$-메손 혼합의 $\Gamma_{12}^{s}$ 붕괴 행렬원소에서 차원육 (\bar{s}b)(\bar{\tau}\tau) 연산자를 통한 새로운 물리 현상 효과를 조사한다. 기존 데이터로 제약을 받는 이러한 비표준 기여는 $B_s$ 혼합의 비정상 현상에 약간의 개선을 줄 수는 있으나, $\phi_{J/\psi\phi}^s$와 $\Delta\Gamma_s$에서 관측된 표준모형에 대한 편차를 완전히 설명하기에는 너무 작다. 연구는 모형에 종속되지 않는 한계를 제시하며, 렙토쿼크 및 $Z'$-매개 시나리오와 대조한다.

ABSTRACT

Measurements performed at the Tevatron of both the like-sign dimuon charge asymmetry in B_d,s-meson samples and the mixing-induced CP asymmetry in B_s -> J/psi phi depart from their standard model (SM) predictions. This could be an indication for new CP phases in Delta B = 2 transitions, preferentially in B_s-Bbar_s mixing. The experimental situation, however, remained inconclusive, as it favored values of the element Gamma_12^s of the decay matrix in the B_s-meson system that are notably different from the SM expectation, suggesting the presence of new physics in the Delta B = 1 sector as well. The very recent LHCb measurements of B_s -> J/psi phi and B_s -> J/psi f_0, which do not find any evidence for a new-physics phase in the element M_12^s of the mass matrix, point into this direction as well. In this article, we explore the potential size of non-standard effects in Gamma_12^s stemming from dimension-six operators with flavor content (sbar b) (taubar tau). We show that since the existing constraints imposed by tree- and loop-level mediated B_d,s-meson decays are quite loose, absorptive new physics of this type can in part explain the current data. Our model-independent conclusions are finally contrasted with explicit analyses of the new-physics effects in B_s-Bbar_s mixing that can arise from leptoquarks or Z' bosons.

연구 동기 및 목표

• 차원육 $(\bar{s}b)(\bar{\tau}\tau)$ 연산자를 통해 $\Gamma_{12}^{s}$에서의 새로운 물리 현상의 실현 가능성을 평가하는 것.
• 이러한 연산자가 관측된 $B_s$ 혼합 관측량, 특히 $\phi_{J/\psi\phi}^s$와 $\Delta\Gamma_s$의 편차를 설명할 수 있는지 평가하는 것.
• 직접 및 간접적으로 $B_d$와 $B_s$ 붕괴로부터 유도된 제약 조건을 사용하여 $\Gamma_{12}^{s}$의 비표준 기여에 대한 모형에 종속되지 않는 한계를 도출하는 것.
• 렙토쿼크 및 $Z'$ 보손 등 구체적인 모형들과의 비교를 통해 이러한 연산자의 현상학적 실현 가능성 평가하는 것.

제안 방법

• 효과적 장 이론을 사용하여 $B_s$ 시스템에서 차원육 $(\bar{s}b)(\bar{\tau}\tau)$ 연산자를 분석한다.
• 나무 수준 및 루프 수준의 $B_d$와 $B_s$ 붕괴로부터 유도된 모형에 종속되지 않는 제약 조건을 적용하여 $\Gamma_{12}^{s}$의 새로운 물리 현상 효과를 제약한다.
• $\Gamma_{12}^{s,\rm NP}/\Gamma_{12}^{s,\rm SM}$의 $R_{\Gamma}$에 대한 제약 조건을 측정된 $\Delta M_s$와 그 표준모형 예측값을 사용하여 유도한다.
• $\Delta\Gamma_s$, $\phi_{J/\psi\phi}^s$, 그리고 동일한 빈도의 디뮤온 비대칭도 $A_{\rm SL}^b$에 대한 새로운 물리 현상의 영향을 $a_{fs}^s$에 대한 해석적 표현식을 통해 평가한다.
• 특히 새로운 물리 현상 기여의 부호에 따라 다른 가정을 둘 때, $M_{12}^{s}$와 $\Gamma_{12}^{s}$의 위상과 크기 간의 상호작용을 고려한다.
• 모형에 종속되지 않는 결과를 렙토쿼크 및 $Z'$ 모형에서의 구체적 실현과 비교하여 현상학적 실현 가능성 평가를 수행한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 $(\bar{s}b)(\bar{\tau}\tau})$ 연산자가 $\Gamma_{12}^{s}$에서 표준모형을 초월한 $B_s$ 혼합 이상현상의 원인을 설명할 수 있는가?
• RQ2 현재의 실험 데이터인 $\Delta M_s$, $\Delta\Gamma_s$, $\phi_{J/\psi\phi}^s$로 인해 $\Gamma_{12}^{s}$의 비표준 기여는 얼마나 제약을 받는가?
• RQ3 기존 제약 조건과 일치하는 $\Gamma_{12}^{s}$에서의 새로운 물리 현상 효과의 최대 크기는 얼마인가?
• RQ4 $\Gamma_{12}^{s}$의 제약 조건은 모형에 종속되지 않는 분석과 렙토쿼크 또는 $Z'$ 보손 등의 구체적 모형 간에 어떻게 비교되는가?

주요 결과

• $\Gamma_{12}^{s}$에서 $(\bar{s}b)(\bar{\tau}\tau)$ 연산자가 기여하는 비표준 기여는 $\phi_{J/\psi\phi}^s$와 $\Delta\Gamma_s$에서 관측된 표준모형에 대한 편차를 완전히 설명하기에는 너무 작다.
• 나무 수준 및 루프 수준의 $B_d$와 $B_s$ 붕괴로부터의 기존 제약 조건은 비교적 느슨하여 $\Gamma_{12}^{s}$에서 비표준 물리 현상 효과가 존재할 수 있도록 허용한다.
• 이러한 새로운 물리 현상 효과의 포함은 현재 데이터에 대한 전반적인 피팅에 약간의 개선을 가져오지만, 이상현상의 완전한 설명에는 부족하다.
• $\Delta\Gamma_s$와 $a_{fs}^s$의 제약 조건은 $r_{\rm SM}/r_{\rm NP}$가 양수이면서 작은 경우, 특히 실수인 $r_{\rm NP}$일 때 가장 약해진다.
• $\text{sgn}(r_{\rm NP}) = -1$ 이고 $|r_{\rm SM}|/|r_{\rm NP}| > 1$일 때 $\Delta\Gamma_s$의 상한 제약 조건이 가장 약해지며, 이는 특정한 제약이 가장 약한 영역임을 시사한다.
• 모형에 종속되지 않는 분석 결과, $\Gamma_{12}^{s}$를 매개로 하는 새로운 물리 현상로는 $\phi_{J/\psi\phi}^s$의 전체적인 불일치를 설명할 수 없으며, 이는 여전히 표준모형 예측과 $2.3\sigma$ 정도의 격리 상태에 놓여 있다.