[논문 리뷰] B- and D-meson leptonic decay constants and quark masses from four-flavor lattice QCD

Fermilab Lattice, Milc외 21명|arXiv (Cornell University)|2018. 09. 29.

Quantum Chromodynamics and Particle Interactions참고 문헌 7인용 수 11

한 줄 요약

이 격자 양자 색역학 연구는 네 종류의 동적 페르미온과 고도로 향상된 스태그러드 쿼크(HISQ) 작용을 사용하여 B 및 D 메손의 레프톤성 붕괴 상수와 업, 다운, 스트랭지, 챠르마, 바텀 쿼크의 질량을 사상적인 정밀도로 계산한다. 중량 쿼크 효과 이론(HQET), 중량 메손 루트된 전부 스태그러드 초순수 양성화 이론(HMrAS χPT), 그리고 시만직 효과 이론(SET)을 조합함으로써 저자들은 물리적 점으로의 제어된 외삽을 달성하여, $f_{B^+}$, $f_{B_s}$, $f_{D^+}$, $f_{D_s}$ 및 $ar{\mathrm{MS}}$ 체계에서의 쿼크 질량에 대해 지금까지 가장 정밀한 결정을 이룬다.

ABSTRACT

We describe a recent lattice-QCD calculation of the leptonic decay constants of heavy-light pseudoscalar mesons containing charm and bottom quarks and of the masses of the up, down, strange, charm, and bottom quarks. Results for these quantities are of the highest precision to date. Calculations use 24 isospin-symmetric ensembles of gauge-field configurations with six different lattice spacings as small as approximately 0.03 fm and several values of the light quark masses down to physical values of the average up- and down-sea-quark masses. We use the highly-improved staggered quark (HISQ) formulation for valence and sea quarks, including the bottom quark. The analysis employs heavy-quark effective theory (HQET). A novel HQET method is used in the determination of the quark masses.

연구 동기 및 목표

• 최근까지 가장 높은 정밀도로 중량-경량 편향 메손(B⁺, Bₛ, D⁺, Dₛ)의 레프톤성 붕괴 상수를 결정하기 위해.
• 격자 QCD를 사용하여 $ar{\mathrm{MS}}$ 체계에서 업, 다운, 스트랭지, 챠르마, 바텀 쿼크의 질량을 추출하기 위해.
• 고도로 발전한 효과 이론 매칭 및 향상된 이산화를 통해 쿼크 질량과 붕괴 상수 결정의 체계적 오차를 줄이기 위해.
• |$V_{ub}|$ 결정 간의 갈등을 해결하고 희귀 B 붕괴에 대한 예측을 향상시키기 위해 정밀한 입력 자료를 제공하기 위해.

제안 방법

• 이 연구는 격자 간격이 0.03 fm에 이르는 24개의 이소스핀 대칭 게이지 격자 군집을 사용하며, 네 종류의 동적 쿼크(업, 다운, 스트랭지, 챠르마)를 HISQ 작용으로 사용한다.
• 바텀 및 챠르마를 포함한 복합 쿼크는 이산화 오차를 최소화하기 위해 동일한 HISQ 형식으로 처리된다.
• 중량 쿼크 효과 이론(HQET)은 중량 쿼크 이산화 효과를 제어하고 최소한의 재정규화 잔여물 제거(MRS) 체계를 통해 메손 질량과 쿼크 질량을 연결하기 위해 사용된다.
• HMrAS χPT는 경량 쿼크 질량 의존성을 물리적 점으로 외삽하기 위해 사용되며, 시만직 효과 이론은 경량 쿼크 및 글루온 이산화 오차를 처리한다.
• 격자 척도는 가짜 메손의 붕괴 상수 $f_{p4s}$를 통해 설정되며, 이는 경량 질량이 $0.4m_s$인 경우이며, 물리적 $f_\pi$로 校정된다.
• 상관된 다차원 피팅은 여러 격자 간격, 쿼크 질량, 메손 상태의 데이터를 EFT를 사용하여 체계적 오차를 제어하면서 통합한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 네 종류의 동적 쿼크를 가진 격자 QCD에서 $f_{B^+}$, $f_{B_s}$, $f_{D^+}$, $f_{D_s}$의 가장 정밀한 값은 무엇인가요?
• RQ2 HQET와 MRS 체계를 사용하여 중량-경량 메손 질량에서 업, 다운, 스트랭지, 챠르마, 바텀 쿼크의 질량을 어떻게 고정밀도로 추출할 수 있나요?
• RQ3 HQET, HMrAS χPT, SET와 같은 여러 효과 이론의 포함이 물리적 점으로의 외삽에서 체계적 오차를 어느 정도 줄이는가요?
• RQ4 결과는 다른 격자 QCD 및 실험적 결정과 어떻게 비교되며, 특히 $|V_{ub}|$ 갈등을 해결하는 데 어떻게 기여합니까?

주요 결과

• 이 연구는 $f_{B^+} = 190.5(1.0)$ MeV, $f_{B_s} = 217.4(1.0)$ MeV, $f_{D^+} = 207.5(1.0)$ MeV, $f_{D_s} = 262.5(1.0)$ MeV로 가장 정밀한 격자 QCD 결정을 보고한다.
• 스트랭지 쿼크 질량은 $m_{s,\overline{\mathrm{MS}}}(2~{}\mathrm{GeV}) = 92.47(39)_{\text{stat}}(18)_{\text{syst}}(52)_{\alpha_s}(11)_{f_\pi}~{}\mathrm{MeV}$로 결정된다.
• 챠르마 쿼크 질량은 $\overline{m}_c^{(n_f=4)} = 1273(4)_{\text{stat}}(1)_{\text{syst}}(10)_{\alpha_s}(1)_{f_\pi}~{}\mathrm{MeV}$로 발견되었으며, 바텀 쿼크 질량은 $\overline{m}_b^{(n_f=5)} = 4195(12)_{\text{stat}}(1)_{\text{syst}}(8)_{\alpha_s}(1)_{f_\pi}~{}\mathrm{MeV}$로 결정되었다.
• 비율 $m_b/m_s = 53.94(6)_{\text{stat}}(10)_{\text{syst}}(1)_{\alpha_s}(5)_{f_\pi}$는 높은 정밀도로 결정되었으며, MRS-HQET 접근법의 일관성을 뒷받침한다.
• 업-쿼크 질량은 $m_{u,\overline{\mathrm{MS}}}(2~{}\mathrm{GeV}) = 2.130(18)_{\text{stat}}(35)_{\text{syst}}(12)_{\alpha_s}(03)_{f_\pi}~{}\mathrm{MeV}$로, 다운-쿼크 질량은 $m_{d,\overline{\mathrm{MS}}}(2~{}\mathrm{GeV}) = 4.675(30)_{\text{stat}}(39)_{\text{syst}}(26)_{\alpha_s}(06)_{f_\pi}~{}\mathrm{MeV}$로 결정되었다.
• 결과는 다른 격자 QCD 계산과 실험 입력과 우수한 일치를 보이며, 특히 $f_{D_s}$ 및 $f_{B_s}$ 채널에서 다중 척도 효과 이론 접근법의 타당성을 검증한다.