[논문 리뷰] Resonances gone topsy turvy - the charm of QCD or new physics in $b o s \ell^+ \ell^-$?

James Lyon, Roman Zwicky|arXiv (Cornell University)|2014. 06. 03.

Particle physics theoretical and experimental studies참고 문헌 35인용 수 73

한 줄 요약

이 논문은 $B^+ \to K^+ \mu\mu$ 붕괴에서 셰이머 레이저(Ψ(3370), Ψ(4040), Ψ(4160), Ψ(4415))와 전자약력 펜싱 연산자 사이의 이국적인 간섭 무늬를 조사한다. BESII의 $e^+e^- \to \text{hadrons}$ 데이터로부터 유도된 분산 관계를 사용하여, LHCb에서 관측된 간섭이 인과적 근사법(FA)에 의해 예측된 것과 반대 부호이자 3.5배 더 크다는 것을 발견하였다. 이는 큰 비인과적 QCD 보정이 존재함을 시사하며, 이 이질성은 알려진 표준모형 역학으로서는 설명될 수 없어, 가능성이 새로운 물리학 또는 셰이머 레이저 효과에 대한 표준 QCD 처리의 붕괴를 암시한다.

ABSTRACT

We investigate the interference pattern of the charm-resonances $Ψ(3370,4040,4160,4415)$ with the electroweak penguin operator $O_9$ in the branching fraction of $B^+ o K^+μμ$. For this purpose we extract the charm vacuum polarisation via a standard dispersion relation from BESII-data on $e^+e^- o hadrons$. In the factorisation approximation (FA) the vacuum polarisation describes the interference fully non-perturbatively. The observed interference pattern by the LHCb collaboration is opposite in sign and and significantly enhanced as compared to the FA. A change of the FA-result by a factor of -2.5, which correspond to a 350%-corrections, results in a reasonable agreement with the data. This raises the question on the size of non-factorisable corrections which are colour enhanced but loop-suppressed. In the parton picture it is found that the corrections are of relative size ~-0.5 when averaged over the open charm-region which is far below -3.5 needed to explain the observed effect. We present combined fits to the BESII- and the LHCb-data, testing for effects beyond the Standard Model (SM)-FA. We cannot find any significant evidence of the parton estimate being too small due to cancellations between the individual resonances. It seems difficult to accommodate the LHCb-result in the standard treatment of the SM or QCD respectively. In the SM the effect can be described in a $q^2$-dependent shift of the Wilson coefficient combination $C^{eff}_9 + C^{' eff}_9$. We devise strategies to investigate the microscopic structure in future measurements. We show that the charm-resonance effects can accommodate the $B o K^* ll$-anomalies (e.g. $P_5'$). Hence our findings indicate that the interpretation of the anomaly through a $Z'$-boson, mediating between $bs$ and $ll$ fields, is disfavoured. More generally our results motivate investigations into $b o s\bar cc$-physics.

연구 동기 및 목표

• LHCb에서 관측한 $B^+ \to K^+ \mu\mu$ 붕괴에서 셰이머 레이저와 $b \to s\ell^+\ell^-$ 전이 사이의 예상치 못한 부호 및 크기의 간섭 무늬를 설명하기 위해.
• 관측된 인과적 근사법(FA)에 대한 편차가 표준모형 내 비인과적 QCD 보정으로 설명될 수 있는지 평가하기 위해.
• 효과적 윌슨 계수 $C^{\rm eff}_9 + C'^{\rm eff}_9$ 의 $q^2$-의존적 이동을 통해 이 이질성이 표준모형 내에서 수용될 수 있는지 테스트하기 위해.
• 각도 관측량을 이용한 $B \to K^{(*)}\ell\ell$ 붕괴에서 새로운 물리학과 QCD 효과를 구별하기 위한 전략을 마련하기 위해.
• 셰이머 레이저 효과가 2013년의 $B \to K^*\ell\ell$ 이질성, 특히 $P'_5$를 설명할 수 있는지 조사하기 위해.

제안 방법

• BESII의 $e^+e^- \to \text{hadrons}$ 데이터로부터 분산 관계를 이용해 셰이머 진공 극화 함수 $h_c(s)$ 를 추출하기 위해.
• 인과적 근사법(FA)을 적용하여 $B^+ \to K^+ \mu\mu$ 붕괴 진폭을 계산하며, 이때 셰이머 레이저 기여는 $h_c(s)$ 에 의해 완전히 기술된다.
• FA 예측값을 개방된 셰이머 영역($q^2 > 14\,\text{GeV}^2$)에서 LHCb의 $q^2$-의존적 간섭 무늬와 비교하기 위해.
• 비인과적 보정을 효과적 장이론 접근법을 통해 평가: 셰이머 쿼크를 통합하고 $1/q^2$에 대해 전개하며, 이중성 간격에서의 불연속성 계산하기.
• BESII 및 LHCb 데이터를 동시에 피팅하며, 중심값이 큰 데서 오는 편향을 피하기 위해 로그 척도에서 $\chi^2$ 최소화를 수행하기 위해.
• 이 anomaly의 미세 구조적 기원을 탐색하기 위한 전략 제안: 예를 들어 $B \to K^{*}\ell\ell$ 또는 $B \to K_0^*\ell\ell$ 붕괴에서 $C^{\rm eff}_9 - C'^{\rm eff}_9$ 를 측정하기.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 왜 LHCb 데이터는 인과적 근사법과는 반대 부호이자 상당히 증폭된 셰이머 레이저 간섭 무늬를 보여주는가?
• RQ2 관측된 편차는 특히 색 억제된 글루온 교환를 포함한 비인과적 QCD 보정으로 표준모형 내에서 설명될 수 있는가?
• RQ3 비인과적 보정의 크기—FA 대비 약 $\sim -0.5$로 추정—은 LHCb 데이터에서 관측된 약 $\sim -3.5$ 편차를 설명하기에 충분한가?
• RQ4 셰이머 레이저 효과는 새로운 물리학(예: $Z'$ 보손)을 도입하지 않고도 2013년의 $B \to K^*\ell\ell$ 이질성, 특히 $P'_5$ 이질성을 설명할 수 있는가?
• RQ5 특히 $B \to K^{(*)}\ell\ell$ 붕괴에서 $b \to s\ell^+\ell^-$ 붕괴에서 새로운 물리학과 QCD 효과를 구별할 수 있는 실험적 관측량은 무엇인가?

주요 결과

• LHCb 데이터는 $B^+ \to K^+ \mu\mu$에서 인과적 근사법에 비해 부호가 반대이고 약 $\sim -3.5$ 배 더 크게 증폭된 셰이머 레이저 간섭 무늬를 보여준다.
• 셰이머 쿼크 통합과 이중성 평균화를 통해 추정한 비인과적 QCD 보정은 상대적 보정으로 약 $\sim -0.5$ 수준이며, 데이터를 설명하기 위해 필요한 $-3.5$ 보다 훨씬 작다.
• BESII 및 LHCb 데이터의 통합 피팅 결과, 고유진동수 극점 위상의 변화에 따른 상쇄 효과가 없음을 확인하여, 이 편차가 이중성 간격 내에서의 간섭 파괴 때문이 아니라는 것을 시사한다.
• 관측된 이질성은 표준 모형의 QCD 처리 방식으로는 수용될 수 없으며, 새로운 물리학 또는 셰이머 레이저 영역에서의 인과적 근사법 실패를 암시한다.
• 이 효과는 저 $q^2$ 영역에서 2013년의 $B \to K^*\ell\ell$ 이질성, 특히 $P'_5$를 자연스럽게 설명할 수 있으며, 이는 $Z'$ 매개 이론이 불리한 것으로 암시한다.
• $B \to K^*\ell\ell$ 또는 $B \to K_0^*\ell\ell$ 붕괴에서 $C^{\rm eff}_9 - C'^{\rm eff}_9$ 를 측정하는 것은 오른쪽 편향 전류와 표준모형을 초월한 새로운 물리학을 탐색하기 위한 청결한 방법을 제공한다.