[논문 리뷰] New physics reach of CP violating observables in the decay B to K* l+ l-

U. Egede, Tobias Hurth외 3명|arXiv (Cornell University)|2009. 12. 08.

Particle physics theoretical and experimental studies참고 문헌 10인용 수 6

한 줄 요약

이 논문은 QCD 인화 이론과 소프트-결합 효과 이론을 사용하여 희귀 붕괴 $\bar{B}^0 \to \bar{K}^{*0} \ell^+ \ell^-$에서 CP 위반 관측량의 뉴 피직스에 대한 민감도를 조사한다. 이론적 및 실험적 노력에도 불구하고, 알려지지 않은 $\Lambda/m_b$ 보정과 실험적 통계 오차의 주요 이론적 불확실성으로 인해 LHCb는 윌슨 계수 $C_9$, $C_{10}$ 및 그 카이랄 성분에서 $\pi/8$ 이내의 뉴 피직스 위상에 대해 제한된 민감도를 보인다.

ABSTRACT

We discuss theoretical and experimental preparations for an indirect new physics search using the rare decay B to K*0 (to K pi) l+ l- focusing on CP violating observables. The separation of new physics effects and hadronic uncertainties is the key issue when using flavour observables in a new-physics search. Our analysis is based on QCD factorization and soft-collinear effective theory and critically examines the new physics reach of those observables via a detailed error analysis due to scale dependences, form factors, and other input parameters; we also explore the experimental sensitivities at LHCb using a full-angular fit method; finally, we make the impact of the unknown Lambda/mb corrections manifest in our theoretical predictions.

연구 동기 및 목표

• . $\bar{B}^0 \to \bar{K}^{*0} \ell^+ \ell^-$에서의 CP 위반 관측량이 뉴 피직스를 탐지하기 위한 이론적 및 실험적 능력을 평가한다.
• . 효과 이론의 맥락에서, 특히 $\Lambda/m_b$ 보정의 영향을 분리하여 강입자 불확실성의 영향을 CP 위반 관측량에 대해 분석한다.
• . 이론적 및 통계적 불확실성을 고려하여, 전체 각도 피팅을 통한 LHCb의 뉴 피직스 시나리오에 대한 민감도를 평가한다.
• . CP 위반 관측량이 서로 다른 뉴 피직스 모델 간의 고유한 CP 위상 차이를 식별할 수 있는지 판단한다.

제안 방법

• . QCD 인화 이론과 소프트-결합 효과 이론(SCET)을 사용하여 B → K* 형태 인자와 붕괴 진폭을 계산하며, 다음 차수의 QCD 보정을 포함한다.
• . 각도 계수 함수의 차이 $J_i - \bar{J}_i$로 구성된 CP 위반 관측량을, 미분 붕괴률 $d^4\Gamma / dq^2 d\cos\theta_l d\cos\theta_K d\phi$ 내에서 정의한다. 여기서 $\theta_l$, $\theta_K$, $\phi$는 렙톤 및 카이온의 각도이다.
• . 스케일 의존성, 입력 매개변수의 불확실성, $\Lambda/m_b$ 보정을 포함한 세밀한 오차 분석을 수행하여 이론적 불확실성을 정량화한다.
• . 5년 분량의 LHCb 데이터(10 fb⁻¹)를 사용한 토이 몬테카를로 시뮬레이션을 통해 실험적 민감도를 평가하며, 1σ 및 2σ 수준에서 통계적 불확실성을 추정한다.
• . 단일 비영인 윌슨 계수만을 고려한 세 가지 벤치마크 뉴 피직스 시나리오를 고려한다: $|C^\text{NP}_9| = 2$, $|C^\text{NP}_{10}| = 1.5$, $|C'^\text{NP}_{10}| = 3$이며, 각각 위상 $\Theta = \pi/8$을 가진다. 이를 통해 표준모형과의 구별 가능성을 테스트한다.
• . 이론적 불확실성(특히 $\Lambda/m_b$ 보정)과 실험적 통계 오차를 비교하여, 뉴 피직스 위상 탐지의 가능성 여부를 평가한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 . $\bar{B}^0 \to \bar{K}^{*0} \ell^+ \ell^-$에서의 CP 위반 관측량은 약 $\pi/8$ 수준의 CP 위반 위상을 가진 뉴 피직스 시나리오를 식별할 수 있는가?
• RQ2 . 알려지지 않은 $\Lambda/m_b$ 보정은 CP 위반 관측량의 이론적 불확실성에 어떤 영향을 미치며, 표준모형 매개변수의 불확실성보다 지배적인가?
• RQ3 . 5년 분량의 데이터에서 실질적인 통계적 불확실성을 고려할 때, LHCb의 이 관측량에 대한 실험적 민감도는 어떠한가?
• RQ4 . CP 위반 관측량의 이론적 불확실성은 표준모형 수준의 CP 위반 효과보다 작으며, 청소된 뉴 피직스 신호를 허용하는가?
• RQ5 . 관측량 $A^{(6)}_s$와 $A^{(8)}_s$는 서로 다른 윌슨 계수와 위상을 가진 뉴 피직스 모델 간의 차이를 해소할 수 있는가?

주요 결과

• . $A^{(6)}_s$와 $A^{(8)}_s$ 관측량은 오른쪽 수동 전류에 매우 민감하며, $\Theta = \pi/8$를 가진 $C^\text{NP}_{10}$ 시나리오와 표준모형을 식별하는 데 유용하다.
• . 비영인 CP 위상이 존재하는 뉴 피직스 시나리오에서 $\Lambda/m_b$ 보정에 의한 이론적 불확실성이 주요 오차 원인이 되며, 표준모형 수준의 불확실성보다 약 10배 이상 크다.
• . 표준모형에서는 형태 인자와 입력 매개변수에 의한 $A^{(6)}_s$의 불확실성이 $\Lambda/m_b$ 보정보다 작지만, 뉴 피직스 시나리오에서는 $\Lambda/m_b$ 보정이 지배적이다.
• . $A^{(6)}_s$의 경우, 세 가지 뉴 피직스 벤치마크가 모두 5년 분량의 LHCb 데이터(10 fb⁻¹)에서 예상되는 1σ 실험적 불확실성 범위 내에 위치하여 명백한 발견 가능성은 없다.
• . $A^{(8)}_s$의 경우, 뉴 피직스 벤치마크는 2σ 실험적 불확실성 범위 내에 위치하여, 심지어 100 fb⁻¹의 데이터(스퍼-LHCb)가 있더라도 $\pi/8$ 이내의 위상에 대한 민감도는 여전히 제한됨을 시사한다.
• . 본 연구는 이론적 및 통계적 불확실성의 상호작용으로 인해, $C_9$, $C_{10}$ 및 그 카이랄 성분에서 $\pi/8$ 수준의 뉴 피직스 위상에 대해 LHCb가 유의미한 민감도를 가지지 못한다고 결론 내린다.