[논문 리뷰] Status of the B -> pi K puzzle and its relation to B_s -> phi pi and B_s -> phi rho decays

Lars Hofer, Leonardo Vernazza|arXiv (Cornell University)|2012. 12. 19.

Particle physics theoretical and experimental studies참고 문헌 3인용 수 3

한 줄 요약

이 논문은 오랫동안 지속된 B → πK 퍼즐—측정된 CP 비대칭성과 표준모형 예측 간의 괴리—가 전자약력 페닌그 암력에 새로운 물리학(NP)이 존재함으로써 기인할 수 있다고 제안한다. 만약 그러한 NP가 존재한다면, Bs → φπ⁰ 및 Bs → φρ⁰ 붕괴의 분포율은 최대 5배(모형 독립적) 또는 3배(모형 의존적)로 증가할 수 있으며, 이는 B → πK 시스템 외부에서 NP를 테스트할 수 있는 청소년적 탐사 수 Mittel이 될 수 있다.

ABSTRACT

Some discrepancies between theory and experiment in the B -> pi K decays suggest the possibility of a new physics contribution with the structure of an electroweak penguin amplitude. If such a scenario is realised in nature, the branching ratios of the decays B_s -> phi pi and B_s -> phi rho can be enhanced by about one order of magnitude. We review and update the current status of the B -> pi K puzzle and its implications for the decays B_s -> phi pi and B_s -> phi rho.

연구 동기 및 목표

• B → πK 붕괴에서 해결되지 않은 괴리들이 표준모형을 초월한 새로운 물리학을 시사하는지 평가하기.
• 이소스핀 위반 붕괴인 Bs → φπ⁰ 및 Bs → φρ⁰ 가 전자약력 페닌그 유형의 새로운 물리학에 대한 민감한 탐사 수 Mittel이 될 수 있는지 탐색하기.
• 최신 실험 및 이론적 입력, 특히 B → ρK* 붕괴와 Bs-Bs 혼합을 바탕으로 NP 기여에 대한 제약 조건을 업데이트하기.
• B → πK 데이터만으로는 구분하기 어려운, 반대 페어리티 기여를 포함한 다양한 NP 시나리오를, Bs → φπ⁰ 및 φρ⁰ 붕괴의 스핀 구조를 통해 구별하기.
• 반응형 붕괴와 Bs-Bs 혼합에서의 제약 조건을 고려할 때, NP 모형들(예: 수정된 Z⁰ 페닌그, U(1)′, MSSM)의 타당성을 평가하기.

제안 방법

• B → πK 및 Bs → φM 붕괴의 강입자 행렬 원소를 계산하기 위해 QCD 인과성(QCDF)을 사용한다.
• 표준모형 암력을 수정하기 위해 전자약력 페닌그 유형의 새로운 약한 위상 δ를 가진 모형 독립적 NP 암력을 도입한다.
• 색 억제 수형 트리(rC), 전자약력 페닌그(rEW), 그리고 NP 기여(˜rEW, ˜rC, ˜rA)로 표현된 붕괴 암력을 기반으로 상위 구조 인과성 분해를 적용한다.
• NP 수정 암력의 허수 부분에 민감한 주요 탐사 수 Mittel로 ∆ACP = ACP(B⁻→π⁰K⁻) − ACP(B⁰→π⁺K⁻) 를 유도한다.
• B → ρK* 붕괴, 반응형 붕괴 B → Xsℓ⁺ℓ⁻, 복사 붕괴 B → Xsγ, 그리고 Bs-Bs 혼합에서의 제약 조건을 사용하여 NP 매개변수 공간을 제한하는 전반적 피팅을 수행한다.
• 비추상적 QCD 불확실성을 줄이고 NP에 대한 민감도를 향상시키기 위해 Bs → φπ⁰ 및 φρ⁰ 붕괴의 스핀 구조(PP 대 VV)의 차이를 활용한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 B → πK 붕괴에서 관측된 직접 CP 비대칭성 차이 ∆ACP 는 전자약력 페닌그 암력에 새로운 물리학 기여로 설명될 수 있는가?
• RQ2 그러한 NP가 존재할 경우, Bs → φπ⁰ 및 Bs → φρ⁰ 붕괴의 분포율은 어느 정도까지 증가할 수 있으며, 이 증가는 실험적으로 감지될 수 있는가?
• RQ3 반응형 붕괴와 Bs-Bs 혼합에서의 제약 조건은 전자약력 페닌그 영역에서의 NP 허용 매개변수 공간에 어떻게 영향을 미치는가?
• RQ4 B → πK 데이터만으로는 분별하기 어려운, 서로 다른 약한 위상과 페어리티 구조를 가진 NP 시나리오를, Bs → φπ⁰ 및 φρ⁰ 붕괴가 어떻게 분별할 수 있는가?
• RQ5 모형 독립적 및 모형 의존적 분석 하에서, Bs → φπ⁰ 및 φρ⁰ 붕괴 분포율의 최대 증가 가능성은 어느 정도인가?

주요 결과

• 모형 독립적 분석에서, Bs → φπ⁰ 및 Bs → φρ⁰ 붕괴 분포율은 다른 강입자 붕괴에서의 제약 조건에 따라 표준모형 대비 최대 5배까지 증가할 수 있다.
• 반응형 붕괴 B → Xsℓ⁺ℓ⁻ 및 업데이트된 Bs-Bs 혼합 데이터를 통합한 모형 의존적 분석에서, 최대 증가율은 3배로 감소한다.
• ∆ACP 측정 결과로 인해 표준모형 점은 2σ 수준에서 배제되며, 이는 NP 수정 전자약력 페닌그 암력의 허수 부분이 비영일 가능성을 지지한다.
• 이소스핀 위반 붕괴인 Bs → φπ⁰ 및 Bs → φρ⁰ 에서 분포율 증가가 가장 두드러지며, 이는 전자약력 페닌그 암력에 의해 지배되고 QCD 페닌그 간섭의 영향을 덜 받기 때문이다.
• Bs → φπ⁰ 및 φρ⁰ 붕괴의 스핀 구조(PV 및 VV 최종 상태)는 B → πK(PP 최종 상태)보다 비추상적 QCD 불확실성을 줄여, 더 신뢰할 수 있는 탐사 수 Mittel이 된다.
• 오른쪽 편향 쿠퍼링을 가진 수정된 Z⁰-페닌그 모형에서, Bs → φπ⁰ 및 φρ⁰ 의 허용 증가 영역은 최대 3배 이내로 제약되며, 이는 전반적 피팅 결과와 일치한다.