[논문 리뷰] Predictions for b ! ss ¯ d and b ! dd¯ s decays in the SM and with new physics

Dan Pirjol, Jure Zupan|arXiv (Cornell University)|2010. 01. 01.

Particle physics theoretical and experimental studies참고 문헌 31인용 수 3

한 줄 요약

이 논문은 표준모형(SM)과 새로운 물리(NP)에서 b → ss̄d 및 b → dd̄s 붕괴를 조사하며, 국소 연산자 기여의 약 ~30%에 이르는 비국소 기여를 규명한다. 이를 위해 전하를 지닌 새로운 NP 장을 포함하는 일반적인 NP 메커니즘을 제안하며, 현재의 제약 조건과 K–K̄ 및 B(s)–B̄(s) 혼합 제약을 만족하면서도 현재의 붕괴 분율 제약과도 일치하는 예측을 한다. 또한 향후 10³ TeV 이상의 고에너지 충돌기에서 충분한 통계량을 확보할 경우, 강입자 불확실성을 초월해 이러한 전이를 탐색할 수 있음을 보여준다.

ABSTRACT

The b → ss ¯ d and b → dd¯ s decays are highly suppressed in the SM, and are thus good probes of new physics (NP) effects. We discuss in detail the structure of the relevant SM effective Hamiltonian pointing out the presence of nonlocal contributions which can be about λ −4 (m 2 /m 2 ) ∼ 30% of the local operators (λ = 0.21 is the Cabibbo angle). The matrix elements of the local operators are computed with little hadronic uncertainty by relating them through flavor SU(3) to the observedS = 0 decays. We identify a general NP mechanism which can lead to the branching fractions of the b → ss ¯ d modes in the B + , B 0 or Bs meson decays at or just below the present experimental bounds, while satisfying the bounds from K − ¯ K and B(s) − ¯ B(s) mixing. It involves the exchange of a NP field carrying a conserved charge, broken only by its flavor couplings. The size of branching fractions within MFV, NMFV and general flavor violating NP are also predicted. We show that in the future energy scales higher than 10 3 TeV could be probed without hadronic uncertainties even for b → s and b → d transitions, if enough statistics becomes available.

연구 동기 및 목표

• b → ss̄d 및 b → dd̄s 붕괴에 대한 표준모형 효과적 해밀토니안의 구조를 분석하며, 특히 비국소 기여에 초점을 맞춘다.
• 맛 SU(3) 대칭성을 통해 국소 연산자의 행렬원소를 관측된 S = 0 붕괴에 연결함으로써 행렬원소 계산의 강입자 불확실성을 감소시킨다.
• 관측된 붕괴 분율을 설명할 수 있는 일반적인 새로운 물리 메커니즘을 규명하며, K–K̄ 및 B(s)–B̄(s) 혼합 제약을 위반하지 않는다.
• MFV, NMFV 및 일반적인 맛 위반 NP 시나리오 간의 붕괴 분율 예측을 비교한다.
• 향후 고에너지 충돌기(>10³ TeV)가 강입자 불확실성을 초월해 b → s 및 b → d 전이를 탐색할 잠재력을 평가한다.

제안 방법

• b → ss̄d 및 b → dd̄s 붕괴에 대한 표준모형 효과적 해밀토니안을 구성하며, 국소 항에 비해 약 30%에 이르는 λ⁻⁴(m²/m²) 비례 비국소 기여를 명시적으로 포함한다.
• 맛 SU(3) 대칭성을 활용하여 국소 연산자의 행렬원소를 관측된 S = 0 붕괴의 행렬원소와 연결함으로써 강입자 불확실성을 크게 감소시킨다.
• 새로운 장을 포함하는 일반적인 NP 메커니즘을 제안하며, 이 장은 유일한 맛 위반 쌍에 의해만 위반되는 보존 전하를 지닌다.
• MFV, NMFV 및 일반적인 맛 위반 NP 모델의 맥락에서 붕괴 분율을 분석하여 모델 의존성을 평가한다.
• 향후 10³ TeV 이상의 에너지에서 작동하는 충돌기의 감도 한계를 평가하며, 통계적 정밀도가 b → s 및 b → d 전이에서 강입자 불확실성을 초월할 수 있음을 보여준다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 b → ss̄d 및 b → dd̄s 붕괴에 대한 표준모형 효과적 해밀토니안에서 비국소 기여의 역할은 무엇이며, 국소 연산자 대비 크기는 얼마나 되는가?
• RQ2 맛 SU(3) 대칭성을 어떻게 활용하여 이러한 붕괴의 행렬원소 계산에서 강입자 불확실성을 감소시킬 수 있는가?
• RQ3 어떤 새로운 물리 메커니즘이 현재의 실험 제약과 K–K̄ 및 B(s)–B̄(s) 혼합 제약을 만족하면서도 b → ss̄d 모드의 붕괴 분율을 생성할 수 있는가?
• RQ4 MFV, NMFV 및 일반적인 맛 위반 NP 시나리오 간의 붕괴 분율 예측은 어떻게 다를까?
• RQ5 중심 질량 중심 에너지가 10³ TeV 이상인 향후 충돌기가 b → s 및 b → d 전이를 강입자 불확실성을 초월해 어느 정도 탐색할 수 있는가?

주요 결과

• Cabibbo 각도 억제로 인해 b → ss̄d 및 b → dd̄s 붕괴에 대한 표준모형 효과적 해밀토니안에서 비국소 기여는 국소 연산자 기여의 약 30%에 이를 수 있다.
• 맛 SU(3) 대칭성을 통해 관측된 S = 0 붕괴에 연결함으로써 국소 연산자의 행렬원소는 낮은 강입자 불확실성으로 계산된다.
• 보존 전하를 지닌 새로운 장을 포함하는 일반적인 NP 메커니즘은 현재 실험 제약과 혼합 제약을 만족하면서도 b → ss̄d 모드의 붕괴 분율을 생성할 수 있다.
• 이 모델은 MFV, NMFV 및 일반적인 맛 위반 NP 시나리오 전반에서 B⁺, B⁰ 또는 Bs 메손의 b → ss̄d 붕괴 분율을 현재 실험 제약 수준 이내 또는 그에 근접하게 예측한다.
• 향후 10³ TeV 이상에서 작동하는 충돌기는 충분한 루미노시티와 통계량이 확보될 경우, 강입자 불확실성을 초월해 b → s 및 b → d 전이를 탐색할 수 있다.