[논문 리뷰] Weak Decays of $b$ and $c$ Quarks

A. Di Canto, Stefan Meinel|arXiv (Cornell University)|2022. 08. 10.

Particle physics theoretical and experimental studies인용 수 6

한 줄 요약

이 논문은 뮤온과 초전하 쿼크의 약한 붕괴에 대한 정밀도 연구에서 미국의 지속적 리더십 역할을 주장하며, 이는 표준모형을 초월한 새로운 물리학에 대한 고유한 민감도를 지닌다. $pp$ 및 $e^+e^-$ 충돌기에서의 차세대 실험과 고도로 발전된 격자 및 연속장 양자장론 계산을 융합함으로써, 이 프로그램은 렙톤 유니버설리티, 희귀 붕괴, $CP$ 위반을 초고정밀도로 시험하려 하며, 이는 100 테바볼트 이론까지의 새로운 물리학을 드러내는 데 기여할 수 있다.

ABSTRACT

Precision measurements in weak decays of heavy flavored hadrons can test in unique ways our understanding of the fundamental interactions and of the observed baryon asymmetry in the Universe. The high sensitivity of such decays to beyond-Standard-Model physics, combined with the lack of major discoveries in direct production of new particles, motivates the continuation of a strong heavy-flavor program in the next decades. The observation of several anomalies by the BaBar, Belle and LHCb experiments in such decays, including evidence for violation of lepton universality, provides particular motivation to vigorously pursue this program. While the mass scales probed by direct searches for non-Standard-Model phenomena at the energy frontier will only marginally increase in the near future, a substantial advancement is expected in the study of weak decays of $b$ and $c$ quarks. The next 10 to 20 years will see the development of a highly synergistic program of experiments at both $pp$ and $e^+e^-$ colliders. This program will be complemented by advancements in theory, including both lattice and continuum calculations. Experimental measurements and theory predictions of several key observables will reach unprecedented precision and will allow to test the Standard Model in ways that have not been possible thus far. With a strong participation in this program, the US high-energy-physics community will remain at the forefront of indirect searches for new physics and retain its leading role in expanding humankind's understanding of fundamental interactions.

연구 동기 및 목표

• 표준모형을 초월한 새로운 물리학을 탐색하기 위해 장기적이고 상호보완적인 실험 및 이론 프로그램을 구축하기 위해.
• BaBar, Belle, LHCb에서 관측된 렙톤 유니버설리티와 희귀 붕괴에 대한 지속적인 이질현상들을 다루며, 이는 수 테바볼트에서 수백 테바볼트의 스케일에서 새로운 물리학의 가능성을 시사한다.
• 미국 고에너지물리 공동체가 향후 실험과 이론 개발에 적극 참여함으로써 간접적인 새로운 물리학 탐색 분야에서 선도적 위치를 유지할 수 있도록 보장하기 위해.
• 희귀 붕괴 및 밀려난 붕괴에서 표준모형을 시험하기 위해 필요한 정밀도를 확보하기 위해 격자 및 연속장 양자장론 계산을 발전시키기 위해.
• LHCb, Belle II, BESIII에서의 검출기 업그레이드 및 계산 인프라에 대한 미국 기여를 위한 안정적 재정 및 인프라 확보를 위해.

제안 방법

• LHCb 업그레이드 II 등 $pp$ 충돌기의 향후 업그레이드와 Belle II, BESIII 등 $e^+e^-$ 충돌기의 향후 업그레이드를 활용하여 희귀 붕괴 및 밀려난 붕괴에 대한 고정밀도 데이터를 확보하기 위해.
• 형상 인자와 붕괴 진폭을 고정밀도로 계산하기 위해 격자 양성각역학(Lattice QCD)과 효과적 양자장론(예: 고속도 쿼크 효과적 이론, 비상대론적 QCD)을 적용하기 위해.
• CKM 유니터리티를 시험하고 $CP$ 위반의 새로운 원인을 탐색하기 위해 포함 및 배제 붕괴율 계산을 수행하기 위해.
• $b \to s \mu^+\mu^-$, $b \to s e^+e^-$, $B_s^0$ 붕괴에 대한 실험 데이터를 종합적으로 분석하여 표준모형에서의 이격도를 정량화하기 위해.
• 연속장 및 격자 양자장론 기법을 사용하여 QED 보정 및 비레프톤 붕괴 진폭을 통합하기 위해.
• 검출기 설계, 트리거 알고리즘, 데이터 분석, 계산 인프라(예: Belle II의 Tier 1)에서의 활동을 통해 미국의 리더십 확보하기 위해.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 현재 $b \to s \mu^+\mu^-$ 붕괴와 렙톤-플레버 유니버설리티 비율에서 관측된 이질현상들이 표준모형을 초월한 새로운 물리학을 시사하는 정도는 어느 정도인가?
• RQ2 LHCb, Belle II, BESIII에서의 향후 실험들이 희귀 붕괴와 $CP$ 위반 관측량을 얼마나 정밀하게 측정하여 표준모형을 시험할 수 있는가?
• RQ3 격자 QCD와 효과적 양자장론이 $b$ 및 $c$ 하드론의 밀려난 붕괴와 희귀 붕괴에서 이론적 불확실성을 줄이는 데 어떤 역할을 하는가?
• RQ4 미국 기관들은 다음 세대의 중량 쿼크 실험과 이론 계산에서 리더십을 유지하기 위해 어떻게 해야 하는가?
• RQ5 약한 붕괴를 통한 간접적인 새로운 물리학 탐색에서 미국의 리더십을 확보하기 위해 어느 정도의 지속적 재정 및 인프라 지원이 필요한가?

주요 결과

• LHCb, Belle II, BESIII에서의 실험들은 소규모 자금 및 참여도에도 불구하고 연간 약 220편의 논문을 발표할 것으로 예상되며, 에너지 프론티어 실험과 유사하다.
• 관측된 $b \to s\mu^+\mu^-$와 $b \to se^+e^-$ 붕괴 분율의 평균 비율은 약 0.75로, 표준모형 예측인 1보다 크게 낮아 렙톤 유니버설리티 위반이 가능함을 시사한다.
• $b \to s \mu^+\mu^-$와 $b \to se^+e^-$ 붕괴 데이터에 대한 종합적 피팅 결과는 표준모형에서 5σ 이상의 풀링을 보이며 강력한 새로운 물리학의 증거를 시사한다.
• 희귀 $b$ 및 $c$ 붕괴는 수 테바볼트에서 수백 테바볼트의 스케일에서 새로운 물리학에 민감하므로, 에너지 프론티어를 초월한 물리학 탐색에 매우 강력한 수단이 된다.
• 미국 연구팀은 이미 LHCb와 Belle II의 핵심 구성 요소에서 주도적인 역할을 하였으며, 이는 상류 트래커, 트리거 알고리즘, 검출기 캘리브레이션을 포함한다.
• 미국 격자 공동체는 USQCD, Fermilab Lattice, HPQCD와 같은 협력체를 통해 중량 쿼크 붕괴에서의 이론 정밀도 향상에 핵심적인 역할을 하고 있다.