[논문 리뷰] Rare decays of b and c hadrons

Wolfgang Altmannshofer, F. Archilli|arXiv (Cornell University)|2022. 06. 22.

Particle physics theoretical and experimental studies인용 수 5

한 줄 요약

이 화이트페이퍼는 빈도수가 낮은 b 및 c 하드론 붕괴를 표준모형을 초월한 물리학의 민감한 탐지수단으로 검토하며, 10–100 테바볼트의 에너지 스케일에서 새로운 물리학에 대한 높은 이론적 민감도를 강조한다. 벨 II, LHCb, ATLAS, CMS, BESIII 및 향후 콘서버에서의 실험 기회를 제시하면서, 향후 실험 정밀도에 대응하기 위해 강입자 행렬원소와 CKM 입력에 대한 이론적 과제를 규명한다.

ABSTRACT

In this white paper for the Snowmass process, we review the status and prospects of the field of rare decays of b and c hadrons. The role that rare decays play in the search for physics beyond the Standard Model is emphasised. We stress the complementarity of a large set of relevant processes and outline the most promising directions. The experimental opportunities at Belle II, BES III, ATLAS, CMS, LHCb, and at future machines are discussed. We also summarize the challenges that need to be addressed on the theory side to achieve theory uncertainties for rare decays that match the expected experimental sensitivities.

연구 동기 및 목표

• 희귀 b 및 c 하드론 붕괴가 표준모형을 초월한 새로운 물리학의 간접적 탐지수단으로서 수행하는 역할을 평가하는 것.
• 현재 B-메손 붕괴에서의 이４ anomalies를 고려할 때, 새로운 물리학을 테스트하기에 가장 유망한 희귀 붕괴 과정을 특정하는 것.
• 기존 및 향후 시설, 즉 벨 II, LHCb, ATLAS, CMS, BESIII 및 향후 e+e− 콘서버의 실험 잠재력을 평가하는 것.
• 강입자 행렬원소 계산 및 CKM 매개변수의 불확실성 감소와 같은 이론적 과제를 요약하여 실험 정밀도에 대응하는 것.
• 강력한 새로운 물리학 모델 제약을 달성하기 위해 종합적이고 다각적인 희귀 붕괴 프로그램의 중요성을 강조하는 것.

제안 방법

• 유능한 해밀토니안 프레임워크를 사용하여 희귀 붕괴에서의 플레이어르-변화 중성 전이를 기술하며, 윌슨 계수들이 새로운 물리학 기여를 캡처한다.
• 순수 렙톤, 반반류, 복사 붕괴 및 이중 중성미자 붕괴를 포함한 광범위한 희귀 붕괴 모드를 분석한다: B 및 D 메손과 하드론의 붕괴.
• 벨 II, LHCb, ATLAS, CMS, BESIII 및 향후 e+e− 콘서버에서의 실험 감도를 평가하며, 분해율, 각도 분포 및 LFU 비율에 중점을 둔다.
• 표준모형에서 매우 억제되는 '널 테스트'—예를 들어, 캬움 붕괴에서의 전방-후방 비대칭성 및 CP 비대칭성—이 새로운 물리학에 민감하므로 강조한다.
• 장거리 효과를 위한 라티스 QCD를 통한 형상 인자 계산, 배타적 붕괴를 위한 QCD 인화 이론, 데이터 기반 접근법을 포함한 이론적 도구를 논의한다.
• 다양한 붕괴 모드에서 일관된 패tern을 규명하고 새로운 물리학 모델을 제약하기 위해 희귀 b-붕괴 관측량의 글로벌 피팅을 제안한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 희귀 b 및 c 하드론 붕괴는 어느 정도의 정밀도로 10–100 테바볼트 스케일의 새로운 물리학을 탐지할 수 있는가?
• RQ2 B→K*μμ, RK 및 RK* 붕괴에서의 현재 이상 현상들은 새로운 물리학을 어떻게 제약하거나 지시하는가? 이를 확인하기 위해 어떤 실험 측정이 필요한가?
• RQ3 레프톤의 맛 보존 위반 또는 렙톤의 맛 불보존 위반 탐지에 가장 민감한 희귀 붕괴 관측량은 무엇인가?
• RQ4 향후 실험의 정밀도에 대응하기 위해 강입자 행렬원소 및 CKM 매개변수의 이론적 불확실성을 어떻게 줄일 수 있는가?
• RQ5 희귀 붕괴의 발견 잠재력을 극대화하기 위해 가장 유망한 향후 실험 프로그램과 이론적 도구는 무엇인가?

주요 결과

• B 이상 현상—B→K*μμ의 각도 분포 및 LFU 비율 RK와 RK*에서의 불일치—는 새로운 물리학의 강력한 신호이며, 100 테바볼트 이하의 새로운 질량 스케일을 시사할 수 있다.
• 순수 렙톤 붕괴 Bs→μ+μ−는 이론적 기술이 간결하여 고정밀도 탐지수단이며, 벨 II 및 LHCb에서 높은 감도로 측정될 것으로 예상된다.
• 벨 II에서의 포함형 B→Xsℓℓ 붕괴는 새로운 물리학에 대한 중요한 제약 조건을 제공할 것이며, 특히 B 이상 현상의 맥락에서 중요하다.
• 배타적 반반류 붕괴인 B→K*ℓℓ 및 Λb→Λℓℓ는 각도 분포를 포함한 고감도 관측량을 제공하며, 새로운 물리학 기여에 민감하다.
• 희귀 캬움 붕괴에서의 널 테스트—예를 들어, D→P1P2ℓℓ에서의 전방-후방 비대칭성 및 CP 비대칭성—이 비제로로 관측될 경우, 새로운 물리학의 명확한 신호가 될 수 있다.
• 이중 중성미자 붕괴 b→sνν̄ 및 c→uνν̄는 표준모형에서 강력한 GIM 억제를 받기 때문에, 어떤 관측도 새로운 물리학의 청소년 신호가 될 수 있으며, 경량 불투명 중성미자 또는 어둠의 광자와 같은 물리학을 포함할 수 있다.