[논문 리뷰] Probing flavoured Axions in the Tail of $B_q o \mu^+\mu^-$

J. Albrecht, Emmanuel Stamou외 2명|arXiv (Cornell University)|2019. 11. 12.

Particle physics theoretical and experimental studies참고 문헌 52인용 수 2

한 줄 요약

이 논문은 빛나는 QCD 악시온 및 기타 표준모형을 초월한(BSM) 입자에 대한 흐름 위반 쌍함수를 탐색하기 위해 LHCb의 $B_q \to \mu^+\mu^-$ 붕괴의 꼬리 부분에서의 이중-뮤온 데이터를 사용하는 것을 제안한다. QCD 합 규칙과 분산 관계를 통해 비가역적 $B_q \to \gamma^*$ 형상 인자들을 계산하여 $B_q \to \mu\mu a$ 및 $B_q \to \mu\mu\gamma$의 정밀한 붕괴율을 가능하게 하며, 전체 LHCb 데이터셋이 $b \to d$ 및 $b \to s$ 전이 모두에 대해 약 $10^6$ GeV 수준의 악시온 쌍함수 스케일을 탐색할 수 있음을 보여준다.

ABSTRACT

We discuss how LHC di-muon data collected to study $B_q o \mu\mu$ can be used to constrain light particles with flavour-violating couplings to $b$-quarks. Focussing on the case of a flavoured QCD axion, $a$, we compute the decay rates for $B_q o \mu \mu a$ and the SM background process $B_q o \mu \mu \gamma$ near the kinematic endpoint. These rates depend on non-perturbative $B_q o \gamma^{(*)}$ form factors with on- or off-shell photons. The off-shell form factors -- relevant for generic searches for beyond-the-SM particles -- are discussed in full generality and computed with QCD sum rules for the first time. With these results, we analyse available LHCb data to obtain the sensitivity on $B_q o \mu \mu a$ at present and future runs. We find that the full LHCb dataset alone will allow to probe axion-coupling scales of the order of $10^6$ GeV for both $b o d$ and $b o s$ transitions.

연구 동기 및 목표

• LHCb의 $B_q \to \mu^+\mu^-$ 붕괴의 꼬리 부분에서의 이중-뮤온 데이터를 활용하여 빛나는 QCD 악시온의 흐름 위반 쌍함수를 제약하는 것.
• BSM 붕괴율 계산에 필수적인 비가역적 $B_q \to \gamma^*$ 형상 인자들을 비가역적 광자에 대해 계산하는 것.
• 다중 빼기 분산 관계를 통해 저에너지 공진성 기여를 포함하여 QCD 합 규칙를 비가역적 형상 인자 및 저에너지 공진성 영역으로 확장하는 것.
• 미래 런을 포함한 전체 LHCb 데이터셋을 활용하여 $B_q \to \mu\mu a$ 및 $B_q \to \mu\mu\gamma$에 대한 LHCb의 민감도를 평가하는 것.
• 광범위한 BSM 탐색을 위한 기반을 제공하는 빛나는, 흐름 위반 BSM 벡터 보손을 포함하는 형식을 일반화하는 것.

제안 방법

• 저에너지 공진성 기여를 포함하기 위해 다중 빼기 분산 관계를 사용한 QCD 합 규칙를 통해 비가역적 $B_q \to \gamma^*$ 형상 인자들을 계산하는 것.
• 전류 보존 및 게이지 불변성에서 유도된 제약 조건을 포함한 일곱 개의 비가역적 형상 인자 $F^*(q^2, k^2)$의 완전한 기저를 유도하는 것.
• $k^2$ 변수에 대한 $z$-전개를 적용하여 형상 인자들을 매개변수화하고, 라티스 및 QCD 합 규칙 데이터에 대한 수치적 피팅을 가능하게 하는 것.
• 형상 인자들을 $z$-전개 및 분산 관계를 통해 $k^2 \lesssim (2\text{ GeV})^2$ 영역으로 확장하여 BSM 물리학에 있어 핵심적인 영역을 커버하는 것.
• 헬리시티 형식과 계산된 형상 인자들을 사용하여 운동학적 최종점 근처의 $B_q \to \mu\mu a$ 및 $B_q \to \mu\mu\gamma$의 미분 붕괴율을 유도하는 것.
• 표준모형의 복사 배경을 고려하여 LHCb 데이터를 재해석하고, 악시온 쌍함수 및 BSM 벡터 보손에 대한 민감도 한계를 도출하는 것.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 LHCb의 $B_q \to \mu^+\mu^-$ 붕괴의 운동학적 꼬리 부분에서의 이중-뮤온 데이터는 빛나는 QCD 악시온의 흐름 위반 쌍함수를 탐색하는 데 사용될 수 있는가?
• RQ2 비가역적 $B_q \to \gamma^*$ 형상 인자들은 비가역적 광자에 대해 무엇이며, BSM 물리학에 대해 신뢰할 수 있게 계산할 수 있는가?
• RQ3 비가역적 형상 인자, 특히 공진성 기여를 포함하여 $B_q \to \mu\mu a$ 및 $B_q \to \mu\mu\gamma$의 붕괴율에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ4 전체 LHCb 데이터셋을 사용하여 악시온 쌍함수 스케일에 대해 어떤 민감도를 달성할 수 있으며, 이 스케일은 $b \to d$ 대비 $b \to s$ 전이에 따라 어떻게 달라지는가?
• RQ5 유사한 형식은 빛나는, 흐름 위반 BSM 벡터 보손을 포함하는 $B_q \to \mu\mu V$ 붕괴에서 탐색에 확장될 수 있는가?

주요 결과

• 전체 LHCb 데이터셋 300 fb$^{-1}$는 $b \to d$ 및 $b \to s$ 전이 모두에 대해 약 $10^6$ GeV 수준의 악시온 쌍함수 스케일을 탐색할 것으로 예상된다.
• 논문은 다중 빼기 분산 관계를 통해 공진성 기여를 포함한 QCD 합 규칙를 사용하여 비가역적 $B_q \to \gamma^*$ 형상 인자들을 처음으로 계산한다.
• $z$-전개 및 분산 표현을 통해 형상 인자들을 저에너지 공진성 영역으로 확장하여 $B_q$ 질량 임계점 근처에서 정확도를 향상시킨다.
• 유도된 형상 인자를 통해 비가역적 QCD 효과를 완전히 제어하면서 $B_q \to \mu\mu a$의 미분 붕괴율을 계산한다.
• 표준모형 복사 붕괴인 $B_q \to \mu\mu\gamma$는 배경으로 간주되며, 동일한 형상 인자를 사용하여 계산되어 정밀한 신호-배경 분리가 가능하다.
• 형식은 빛나는, 흐름 위반 BSM 벡터 보손으로 일반화되었으며, 다양한 쌍함수 조합에 대해 예상되는 90% 신뢰수준 배제 한계가 유도되었으며, 이 중 $g_V^{bs}/\Lambda^2 \lesssim 9 \times 10^{-7}$가 포함된다.