[論文レビュー] $B$-mixing in and beyond the Standard model

Alexander Lenz|Durham Research Online (Durham University)|Sep 24, 2014

Particle physics theoretical and experimental studies参考文献 22被引用数 4

ひとこと要約

この論文は、標準模型およびその先の理論におけるB中間子混合をレビューし、ΔMd、ΔMs、ΔΓd、および半レプトン的CP非対称性といった観測量を通じて、標準模型の高精度テストと新物理の制約に焦点を当てる。量子コherー二ンの検証のため、同一符号の二レプトンイベント比の改善測定を提案し、ττ最終状態や木構造のウィルスン係数といった、将来の新物理効果への感受性が高まる主要な観測量を特定する。

ABSTRACT

We review the status of mixing of neutral $B$-mesons, including a discussion of the current precision of Standard Model (SM) predictions as well as the space that is left for effects of new physics. In that respect we present several observables, which are particularly sensitive to the remaining new physics (NP) parameter space. $B$-mixing can also be used to test the fundaments of quantum mechanics, here we suggest a new measurement of the ratio of like-sign dilepton events to opposite-sign dilepton events. Finally we summarise briefly the status of lifetimes of heavy hadrons. The corresponding theory predictions rely on the same tool - the Heavy Quark Expansion (HQE) - as some of the mixing quantities. New experimental data has recently proven the validity of the HQE to a high accuracy. However, the theoretical precision of lifetime predictions is strongly limited by a lack of non-perturbative evaluations of matrix elements of dimension-six operators.

研究の動機と目的

• 標準模型内におけるB中間子混合の現状を評価し、残存する理論的および実験的不確実性を特定すること。
• 特にΔΓdおよび半レプトン的CP非対称性において、新物理効果に最も感受しやすい観測量を同定すること。
• 同一符号対、異符号対の二レプトンイベント比Rの新しい測定を提案し、量子コherー二ンの検証と潜在的な新物理の検出を目的とすること。
• 重いクォーク展開（HQE）が寿命および混合パラメータの予測に果たす役割を評価し、未解決の非摂動的不確実性を強調すること。
• CKMユニタリティおよびフラバー普遍性に及ぼす、木構造のb→cūdおよびb→cūd ττ遷移における新物理の影響を検討すること。

提案手法

• 重いクォーク展開（HQE）を用いて、次元6のオペレーターの行列要素に依存する、重いハドロンの包含的崩壊率および寿命を予測する。
• 標準模型においてM₁₂qを計算する際、Inami-Lim関数S₀(xt)およびNLO-QCD補正（η̂B）を適用し、袋パラメータおよび崩壊定数からの非摂動的入力を用いる。
• 量子コherー二ンの検証のため、R = (N⁺⁺ + N⁻⁻)/(N⁺⁻ + N⁻⁺) として定義される同一符号対、異符号対の二レプトンイベント比を分析し、パラメータζを用いる。
• 新物理がM₁₂qおよびΓ₁₂qに与える影響を、複素スケーリングパラメータΔqを仮定して評価する。当初は新物理がM₁₂qにのみ影響すると仮定する。
• 実験データ（HFAGの平均値）を標準模型予測と照合するグローバルフィットを実施し、ΔΓdおよびΔΓsにおける新物理の制約を求める。
• Lattice QCDの結果（例：Fermilab/MILC、HPQCD）を用いて、fBsおよびBBsにおける理論的不確実性を評価し、標準模型予測誤差の主因を特定する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 標準模型はΔMdおよびΔMsをどの程度正確に予測できるか。新物理の余地が残っている領域はどこか。
• RQ2 特にΔΓdにおいて、新物理効果に最も感受しやすい観測量は何か。
• RQ3 同一符号対、異符号対の二レプトンイベント比Rは、量子コherー二ンの検証およびユニタリティからの逸脱の検出に用いられるか。
• RQ4 木構造のb→cūdおよびb→cūd ττ遷移における新物理は、CKM角γの決定にどの程度影響を及ぼすか。
• RQ5 現在のB中間子寿命の実験的測定値はHQEの予測とどの程度一致するか。残存する理論的不確実性は何か。

主な発見

• 標準模型によるΔMdおよびΔMsの予測は、実験データと良好に一致しているが、非摂動的行列要素に起因する理論的不確実性が、実験誤差よりも顕著に大きい。
• fBs²BBsにおける理論的不確実性は顕著であり、Fermilab/MILC（242.0 MeV）とHPQCD（224 MeV）の間で約8%の差が生じており、非摂動的計算の改善が強く求められる。
• 同一符号対、異符号対の二レプトンイベント比Rから得られる制約はζ = −0.26⁺⁰.³⁰₋₀.²⁸であり、現在のデータではデコherー二ン効果が緩くしか制限されていない。
• 将来的にRの測定精度を2%まで高めることで、ζの不確実性を±10%まで低減でき、量子コherー二ンの破れに対する感受性が著しく向上する。
• ΔΓdは実験的に強く制約されておらず、標準模型での値は(4.2 ± 0.8)×10⁻³であり、数倍の増加も理論的に可能である。
• b→cūd ττ遷移における木構造の新物理は、CKM角γの決定に影響を及ぼす可能性があり、B→ττモードの最初の測定が、ウィルスン係数C₁およびC₂の制約に不可欠である。