[논문 리뷰] The strange side of LHCb

M. Borsato, V. V. Gligorov외 3명|arXiv (Cornell University)|2018. 08. 06.

Particle physics theoretical and experimental studies참고 문헌 45인용 수 15

한 줄 요약

이 논문은 렙톤-플레이어-위반(Lepton-Flavor-Violating) 케이온 붕괴, 특히 $K^+ \to \pi^+ \mu^\pm e^\mp$가 $B$-메손 붕괴에서 관측된 이４ anomalies에 의해 시사되는 새로운 물리학의 탐사 수단으로 유력하다고 주장한다. 효과적 장 이론을 사용하여, $\Lambda \sim 5-15$ TeV일 경우 $10^{-12}$에서 $10^{-13}$ 수준의 붕괴 분율이 가능하다고 보여주며, LHCb의 고광도 업그레이드가 이 범위를 탐지할 수 있음을 입증하는 가용성 연구를 수행한다. 이는 현재의 한계를 크게 향상시킨다.

ABSTRACT

We provide general effective-theory arguments relating present-day discrepancies in semi-leptonic $B$-meson decays to signals in kaon physics, in particular lepton-flavour violating ones of the kind $K o (π) e^\pm μ^\mp$. We show that $K$-decay branching ratios of around $10^{-12} - 10^{-13}$ are possible, for effective-theory cutoffs around $5-15$ TeV compatible with discrepancies in $B o K^{(\ast)} μμ$ decays. We perform a feasibility study of the reach for such decays at LHCb, taking $K^+ o π^+ μ^\pm e^\mp$ as a benchmark. In spite of the long lifetime of the $K^+$ compared to the detector size, the huge statistics anticipated as well as the overall detector performance translate into encouraging results. These include the possibility to reach the $10^{-12}$ ballpark, and thereby significantly improve current limits. Our results advocate LHC's high-luminosity Upgrade phase, and support analogous sensitivity studies at other facilities. Given the performance uncertainties inherent in the Upgrade phase, our conclusions are based on a range of assumptions we deem realistic on the particle identification performance as well as on the kinematic reconstruction thresholds for the signal candidates.

연구 동기 및 목표

• 반드시 $B \to K^{(*)} \mu\mu$ 편차를 포함한 반-레프톤-플레이어-위반(LFV) 케이온 붕괴와 $B$-메손 붕괴에서의 이상 현상 간의 연결을 시도한다.
• 효과적 이론적 접근를 통해 $B$-물리학적 힌트와 일치하는 관측 가능한 LFV $K \to \pi \ell \ell$ 붕괴 분율을 예측한다.
• 업그레이드된 LHCb 실험에서 $K^+ \to \pi^+ \mu^\pm e^\mp$를 탐지할 수 있는 가능성 평가를 수행한다.
• 성능 불확실성 하에 LHCb의 희귀 및 LFV 케이온 붕괴에 대한 감도에 대한 현실적인 기준을 설정한다.

제안 방법

• UV 스케일 $\Lambda \sim 5-15$ TeV에서 $B$-붕괴 이상 현상을 설명하기 위해 왼쪽 수동 전류의 곱($\bar{b}_L \gamma^\alpha b_L$)($\bar{\tau}_L \gamma_\alpha \tau_L$)을 포함하는 효과적 장 이론을 수립한다.
• 전자약 대칭 붕괴 이후 질량 고유상태 기저로 효과적 상호작용을 재기록하여, $s \to d$ 전이에서의 플레이어어 구조 $\lambda^{q,\ell}$ 를 도입한다.
• 위상공간 의존성을 제거하기 위해 붕괴율을 정규화하여 $K \to \pi \mu e$가 $K \to \pi \mu \mu$ 및 $K \to \pi e\mu$ 모드와 비교 가능하게 한다.
• LHCb에서 신호 재구성의 정밀한 시뮬레이션을 수행하며, 입자 식별(PID) 성능 및 $p_T$ 임계값에 대한 다양한 가정을 변화시킨다.
• 실제의 오식별 확률 범위(예: $\pi \to \mu$ 오식별 확률 0.1%에서 5%까지)를 사용하여 배경 억제 및 신호 탐지 범위를 평가한다.
• 13 TeV $pp$ 충돌에서 300 fb$^{-1}$의 예상 데이터를 바탕으로 감도를 추정하며, 트리거, 재구성 및 PID 성능을 고려한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 효과적 장 이론 모델이 $B$-메손 붕괴 이상 현상을 설명할 수 있다면, 렙톤-플레이어-위반 케이온 붕괴를 예측할 수 있는가?
• RQ2 UV 절단 $\Lambda \sim 5-15$ TeV 조건에서 $B$-물리학 데이터와 일치하는 $K \to \pi \mu e$ 붕괴 분율은 어느 정도인가?
• RQ3 전용 케이온 실험은 아니지만, LHCb가 $K \to \pi \mu e$를 $10^{-12}$ 수준에서 감지할 수 있는가?
• RQ4 PID 성능 및 재구성 임계값의 불확실성이 LHCb에서 희귀 케이온 붕괴에 대한 예측 감도에 어떤 영향을 미치는가?

주요 결과

• 효과적 장 이론은 UV 절단 $\Lambda \sim 5-15$ TeV 조건에서 $K \to \pi \mu e$ 붕괴 분율이 $10^{-12}$에서 $10^{-13}$ 수준으로 예측된다.
• LHCb의 고광도 업그레이드를 통해 $K^+ \to \pi^+ \mu^\pm e^\mp$ 붕괴 분율을 $10^{-12}$ 수준까지 탐지할 수 있으며, 현재의 한계를 크게 향상시킨다.
• 입자 식별 성능에 대해 보수적인 가정(예: $\pi \to \mu$ 오식별 확률 5%)을 둘 경우에도 LHCb는 전용 실험과 경쟁 가능한 감도를 확보할 수 있다.
• 이 연구는 $K^+ \to \pi^+ \mu^\pm e^\mp$를 향후 LHCb 및 기타 시설에서의 감도 연구를 위한 기준 모드로 규명한다.
• 결과적으로 LHCb의 성능, 특히 고도의 PID 및 재구성 능력이 희귀 및 LFV 케이온 붕괴 탐지에서 주요 탐사 수단이 될 수 있음을 시사한다.
• 가용성 연구는 향후 LHCb 및 NA62, 그리고 제안된 TauFV 실험과 같은 다른 시설에서의 전용 감도 분석을 뒷받침한다.