[논문 리뷰] Status of New Physics searches with $b o s \ell^{+}\ell^{-}$ transitions @ LHCb

S. Bifani|arXiv (Cornell University)|2017. 05. 07.

Particle physics theoretical and experimental studies참고 문헌 5인용 수 6

한 줄 요약

이 논문은 LHCb가 희귀한 $b \to s \ell^+\ell^-$ 붕괴에서 새로운 물리학을 찾기 위해 분해율, 각도 분포 및 렙톤 무역성 테스트를 사용하여 최신 검색을 검토한다. 주요 이심은 $B_s^0 \to \phi \mu^+\mu^-$에서 $3.3\sigma$의 긴장, $P_5'$ 각도 관측량에서 $3\sigma$의 비정상 현상, 그리고 $R_K$ 비율에서 $2.6\sigma$의 이심으로, 모두 표준모형을 넘어서는 물리학을 시사한다.

ABSTRACT

Rare decays of heavy-flavoured particles provide an ideal laboratory to look for deviations from the Standard Model, and explore energy regimes beyond the LHC reach. Decays proceeding via electroweak penguin diagrams are excellent probes to search for New Physics, and $b o s \ell^{+}\ell^{-}$ processes are particularly interesting since they give access to many observables such as branching fractions, asymmetries and angular observables. Recent results from the LHCb experiment are reviewed.

연구 동기 및 목표

• LHC에서 정밀 측정을 통해 희귀한 $b \to s \ell^+\ell^-$ 붕괴에서 표준모형을 넘어서는 물리학을 찾기 위해 노력한다.
• 뮤온과 전자를 포함한 분해율 비율을 통해 렙톤 무역성을 테스트한다. 예를 들어 $R_K$와 $R_{K^{*0}}$와 같은 비율을 사용한다.
• $B^0 \to K^{*0} \mu^+\mu^-$ 붕괴에서 $P_5'$ 및 $A_{FB}$와 같은 각도 관측량을 통해 새로운 물리학을 탐색한다.
• $q^2$-차수 분해율의 저-$q^2$ 영역에서 표준모형 예측과 실험 데이터 사이의 불일치를 평가한다.
• $B_s^0 \to \phi \mu^+\mu^-$ 및 $\Lambda_b^0 \to \Lambda \mu^+\mu^-$ 붕괴가 표준모형 기대치와 얼마나 일치하는지 평가한다.

제안 방법

• 런-1 LHC 데이터를 사용하여 $B^0 \to K^{*0} \mu^+\mu^-$, $B_s^0 \to \phi \mu^+\mu^-$, $B^+ \to K^+ \mu^+\mu^-$, 및 $\Lambda_b^0 \to \Lambda \mu^+\mu^-$의 $q^2$-차수 분해율을 측정한다.
• $B^0 \to K^{*0} \mu^+\mu^-$의 완전한 각도 분석을 수행하여 CP-평균 각도 항과 CP 비대칭성을 추출한다. 이에는 $P_5'$ 및 $F_L$이 포함된다.
• 이중 비율 기법을 통해 $R_K = \mathcal{B}(B^+ \to K^+ \mu^+\mu^-)/\mathcal{B}(B^+ \to K^+ e^+e^-)$ 및 $R_{K^{*0}}$를 측정하여 렙톤 무역성을 테스트한다.
• 재구성 효율의 뮤온과 전자 간의 차이를 보완하기 위해 $B^0 \to K^{*0} J/\psi \to \ell^+\ell^-$ 붕괴를 기준으로 사용한다.
• 이론적 관측량 비율을 사용하여 강입자 형상 인자의 민감도를 줄여 $P_5'$ 및 기타 각도 항의 정밀도를 향상시킨다.
• 다양한 붕괴 모드와 $q^2$ 영역에서 실험 결과를 표준모형 예측과 비교하여 지속적인 이심을 식별한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 희귀한 $b \to s \ell^+\ell^-$ 붕괴의 $q^2$-차수 분해율에서, 특히 저-$q^2$ 영역에서 표준모형과의 뚜렷한 이심이 있는가?
• RQ2 $B^0 \to K^{*0} \mu^+\mu^-$에서 각도 관측량 $P_5'$가 표준모형 예측에서 국소적으로 이심을 보이는가?
• RQ3 $R_K$ 비율에 의해 나타나는 것처럼, $b \to s \ell^+\ell^-$ 붕괴에서 렙톤 무역성이 위반되는가?
• RQ4 $B_s^0 \to \phi \mu^+\mu^-$ 및 $\Lambda_b^0 \to \Lambda \mu^+\mu^-$의 측정된 분해율이 표준모형 예측과 어떻게 비교되는가?
• RQ5 $R_K$, $P_5'$ 및 $R_{D^*}$에서 관측된 비정상 현상들이 단일 새로운 물리학 모형에 의해 일관되게 설명될 수 있는가?

주요 결과

• $1 < q^2 < 6~\mathrm{GeV^2}/c^4$ 영역에서 $B_s^0 \to \phi \mu^+\mu^-$의 분해율은 표준모형 예측보다 $3.3\sigma$ 낮다.
• $4 < q^2 < 8~\mathrm{GeV^2}/c^4$ 범위에서 $B^0 \to K^{*0} \mu^+\mu^-$의 $P_5'$ 각도 관측량은 표준모형 예측에서 $3\sigma$ 국소 이심을 보인다.
• $R_K$ 비율은 $0.745^{+0.090}_{-0.074}~\mathrm{(stat)} \pm 0.036~\mathrm{(syst)}$로 측정되었으며, 표준모형 예측과 $2.6\sigma$의 긴장을 보인다.
• $B^0 \to D^{*+} \tau^- \bar{\nu}_\tau$와 $B^0 \to D^{*+} \mu^- \bar{\nu}_\mu$의 $R_{D^*}$ 비율은 $0.336 \pm 0.027~\mathrm{(stat)} \pm 0.030~\mathrm{(syst)}$로 측정되었으며, 표준모형 값보다 $2.1\sigma$ 높다.
• $B^+ \to \pi^+ \mu^+\mu^-$의 분해율은 $\rho$ 및 $\omega$ 공명을 피팅에 포함할 때에만 표준모형과 일치한다.
• $B^0 \to K^{*0} e^+e^-$의 각도 분석 결과, $0.002 < q^2 < 1.120~\mathrm{GeV^2}/c^4$ 범위에서 모든 관측량이 표준모형 예측과 일치한다.