[논문 리뷰] On the effective lifetime of $B_s o \mu \mu \gamma$

Alexandre Carvunis, F. Dettori외 3명|arXiv (Cornell University)|2021. 03. 01.

Particle physics theoretical and experimental studies참고 문헌 58인용 수 5

한 줄 요약

이 논문은 표준모형을 초월한 새로운 물리학을 탐구하기 위해 $ B_s^0 \to \mu^+\mu^-\gamma $ 붕괴에서 효과적 수명과 CP 위반 관측량 $ A_{\mu\mu\gamma}^{\Delta\Gamma_s} $을 연구한다. 저- 및 고-$q^2$ 영역을 분석함으로써, 고-$q^2$ 영역에서 비율-형태의 관측량 구조로 인한 상쇄 효과로 인해 $ A_{\mu\mu\gamma}^{\Delta\Gamma_s} $ 가 넓은 채론이온 공명 불확실성에 매우 강건함을 보이며, 이는 $ b \to s $ 비일관성과 관련된 윌슨 계수의 단거리 CP 위반을 탐지하는 데 유망한 수단이 된다.

ABSTRACT

We consider the $ {B}_s^0 $→ μ$^{+}$μ$^{−}$γ effective lifetime, and the related CP-phase sensitive quantity $ {A}_{{\\Delta \\Gamma}_s}^{\\mu \\mu \\gamma} $, as a way to obtain qualitatively new insights on the current B-decay discrepancies. Through a fit comparing pre- to post-Moriond-2021 data we identify a few theory benchmark scenarios addressing these discrepancies, and featuring large CP violation in addition. We then explore the possibility of telling apart these scenarios with $ {A}_{{\\Delta \\Gamma}_s}^{\\mu \\mu \\gamma} $, once resonance-modeling and form-factor uncertainties are taken into account. We do so in both regions of low and high invariant di-lepton mass-squared q$^{2}$. For low q$^{2}$, we show how to shape the integration range in order to reduce the impact of the ϕ-resonance modelling on the $ {A}_{{\\Delta \\Gamma}_s}^{\\mu \\mu \\gamma} $ prediction. For high q$^{2}$, we find that the corresponding pollution from broad-charmonium resonances has a surprisingly small effect on $ {A}_{{\\Delta \\Gamma}_s}^{\\mu \\mu \\gamma} $. This is due to a number of cancellations, that can be traced back to the complete dominance of semi-leptonic operator contributions for high q$^{2}$ — at variance with low q$^{2}$ — and to $ {A}_{{\\Delta \\Gamma}_s}^{\\mu \\mu \\gamma} $ behaving like a ratio-of-amplitudes observable. Our study suggests that $ {A}_{{\\Delta \\Gamma}_s}^{\\mu \\mu \\gamma} $ is — especially at high q$^{2}$ — a potentially valuable probe of short-distance CP-violating effects in the very same Wilson coefficients that are associated to current b → s discrepancies. Its discriminating power, however, relies on progress in form-factor uncertainties. Interestingly, high q$^{2}$ is the region where $ {B}_s^0 $→ μ$^{+}$μ$^{−}$γ is already being accessed experimentally, and the region where form factors are more accessible through non-perturbative QCD methods.

연구 동기 및 목표

• . 현재 $ b \to s $ 붕괴 비일관성에 대한 새로운 물리학 시나리오의 민감도를 $ A_{\\mu\\mu\\gamma}^{\\Delta\\Gamma_s} $ 를 통해 평가하기 위해.
• . 형상 인자 불확실성과 공명 모델링(특히 $ \phi $ 및 넓은 채론이온)이 $ A_{\mu\mu\gamma}^{\Delta\Gamma_s} $ 예측에 미치는 영향을 평가하기 위해.
• . $ A_{\mu\mu\gamma}^{\Delta\Gamma_s} $ 가 큰 CP 위반을 보이는 벤치마크 새로운 물리학 모델 간을 구별할 수 있는지 확인하기 위해.
• . $ A_{\mu\mu\gamma}^{\Delta\Gamma_s} $ 가 $ b \to s $ 비일관성과 관련된 윌슨 계수의 단거리 CP 위반 효과를 탐지하는 데 가능할지 탐색하기 위해.
• . $ \phi $-공명 모델링의 영향을 최소화하기 위해 $ q^2 $ 에서 최적의 통합 영역을 식별하기 위해.

제안 방법

• . 형상 인자 불확실성에 대한 민감도를 줄이기 위해 $ A_{\mu\mu\gamma}^{\Delta\Gamma_s} $ 를 비율-형태 관측량으로 정의한다.
• . 이론적 불확실성을 평가하기 위해 경로-경계 합규칙(LCSRs)과 BBW 방법을 사용하여 형상 인자 표현을 수행한다.
• . 2021년 Moriond 이전 및 이후의 $ b \to s $ 데이터를 피팅하여 큰 CP 위반을 보이는 벤치마크 새로운 물리학 시나리오를 규명한다.
• . $ \epsilon $ 의 급수 전개 형태로 $ A_{\mu\mu\gamma}^{\Delta\Gamma_s} $ 표현을 확장하여 넓은 채론이온 공명의 영향을 추정한다.
• . 저-$q^2$ 영역에서 형상 인자 표현을 비교한 결과, 통합 범위를 신중히 설계할 경우 $ A_{\mu\mu\gamma}^{\Delta\Gamma_s} $ 가 $ \phi $-공명 모델링 불확실성에 강건함을 발견한다.
• . 고-$q^2$ 영역에서, 반응형 연산자 지배와 관측량의 비율-형태 특성 덕분에 넓은 채론이온 공명 기여가 $ A_{\mu\mu\gamma}^{\Delta\Gamma_s} $ 에 1% 미만으로 기여함을 입증한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 . $ A_{\mu\mu\gamma}^{\Delta\Gamma_s} $ 는 $ b \to s $ 비일관성을 설명하고 큰 CP 위반을 보이는 새로운 물리학 시나리오를 구별할 수 있는가?
• RQ2 . $ A_{\mu\mu\gamma}^{\Delta\Gamma_s} $ 는 저-$q^2$ 영역에서 $ B_s \to \gamma $ 형상 인자 및 공명 모델링의 불확실성에 얼마나 민감한가?
• RQ3 . 넓은 채론이온 공명(예: $ \psi(2S) $) 이 고-$q^2$ 영역에서 $ A_{\mu\mu\gamma}^{\Delta\Gamma_s} $ 에 어떤 영향을 미치며, 이는 이론적 또는 실험적 선택을 통해 최소화될 수 있는가?
• RQ4 . $ A_{\mu\mu\gamma}^{\Delta\Gamma_s} $ 는 형상 인자 불확실성에도 불구하고 $ C_9 $ 및 $ C_{10} $ 윌슨 계수의 단거리 CP 위반 효과를 깔끔한 탐지 수 Mittel로 충분히 강건한가?
• RQ5 . 저-$q^2$ 영역에서 $ \phi $-공명 모델링의 영향을 줄이기 위해 $ q^2 $ 에서의 통합 범위를 어떻게 설계할 수 있는가?

주요 결과

• . 고-$q^2$ 영역에서 넓은 채론이온 공명 효과에 대해 $ A_{\mu\mu\gamma}^{\Delta\Gamma_s} $ 가 매우 강건하며, 예측 불확실성이 1% 미만임을 발견하였다.
• . 고-$q^2$ 영역에서 넓은 채론이온 공명에 대한 낮은 민감도는 반응형 연산자 지배와 $ A_{\mu\mu\gamma}^{\Delta\Gamma_s} $ 의 비율-형태 관측량 특성으로 인한 다중 상쇄 효과에서 기인한다.
• . 저-$q^2$ 영역에서 통합 범위를 적절히 설계하면 $ \phi $-공명 모델링 불확실성의 영향을 크게 줄일 수 있다.
• . $ A_{\mu\mu\gamma}^{\Delta\Gamma_s} $ 는 $ C_9 $ 와 $ C_{10} $ 의 허수부에 매우 민감하므로, $ b \to s $ 영역에서 새로운 CP 위반 물리학을 탐지하는 데 유용한 수단이다.
• . 이 연구는 $ A_{\mu\mu\gamma}^{\Delta\Gamma_s} $ 가 고-$q^2$ 영역에서 가장 효과적임을 보였으며, 이는 실험적 접근이 이미 가능하고, 비양자역학적 QCD 방법으로 형상 인자 불확실성이 더 잘 제약됨을 의미한다.
• . 형상 인자에서 유래하는 이론적 불확실성이 여전히 주요 오차 원천이며, $ A_{\mu\mu\gamma}^{\Delta\Gamma_s} $ 의 분별 능력을 최대한 활용하기 위해서는 형상 인자 계산의 정밀도 향상이 필수적이다.