[논문 리뷰] Flavor Physics in the LHC era: the role of the lattice

Jack Laiho, Enrico Lunghi외 1명|arXiv (Cornell University)|2012. 04. 03.

Particle physics theoretical and experimental studies참고 문헌 22인용 수 8

한 줄 요약

이 논문은 최신 라티스 QCD 입력과 실험 데이터를 사용하여 CKM 유니타리 삼각형의 글로벌 피팅을 수행하며, 표준모형 내에서 약 3σ의 긴장이 존재함을 밝혀내며 새로운 물리학의 신호가 될 수 있음을 제기한다. 이는 $B\to\tau\nu$ 붕괴 또는 $B$-혼합에서의 새로운 물리학이 약 200~300 GeV 범위의 새로운 물리학 스케일에서 약 3σ 수준으로 예측됨을 의미한다.

ABSTRACT

We discuss the present status of global fits to the CKM unitary triangle using the latest experimental and theoretical constraints. For the required nonperturbative weak matrix elements, we use three-flavor lattice QCD averages from www.latticeaverages.org; these have been updated from Ref. [1] to reflect all available lattice calculations as of the "End of 2011". Because of the greater than 3 sigma disagreement between the extraction of |Vub| from inclusive and exclusive semileptonic b -> u l nu (l = e,mu) decays, particular emphasis is given to a clean fit in which we remove the information from these decays. Given current theoretical and experimental inputs, we observe an approximately 3 sigma tension in the CKM unitarity triangle that may indicate the presence of new physics in the quark-flavor sector. Using a model-independent parameterization of new-physics effects, we test the compatibility of the data with scenarios in which the new physics is in kaon mixing, in B-mixing, or in B -> tau nu decay. We find that scenarios with new physics in B -> tau nu decay or in B-mixing are approximately equally preferred. Finally, we interpret these results in terms contributions to Delta S = 2 and Delta B = 2 four-fermion operators. We find that the preferred scale of new physics (with Standard-Model like couplings) is in the few hundred GeV range.

연구 동기 및 목표

• 최신 실험 및 라티스 QCD 입력을 사용하여 표준모형의 CKM 행렬이 유니타리 삼각형 프레임워크 내에서 일관되는지 테스트하기 위해.
• 지속적인 긴장이 쿼크-플라버 섹터에서 새로운 물리학의 징후일 수 있는 원인을 규명하기 위해.
• $\Delta S=2$, $\Delta B=2$, 및 $B\to\tau\nu$ 과정에 대한 새로운 물리학 기여를 모형 독립적으로 분석하기 위해.
• 현재 데이터와 일치하는 새로운 물리학의 선호 에너지 스케일을 결정하기 위해 SM 유사 결합을 가정한 상태에서.
• $|V_{ub}|$가 포함된 및 포함되지 않은 붕괴에서의 $>3\sigma$ 이질성으로 인해 $|V_{ub}|$를 제거한 영향을 평가하기 위해.

제안 방법

• 2011년 말 기준 Lattice Averages (www.latticeaverages.org)에서 제공하는 최신 라티스 QCD 평균을 사용하여 CKM 유니타리 삼각형의 글로벌 피팅을 수행한다.
• 세 쿼크 종류의 라티스 QCD에서 비파erturbative 행렬 요소를 사용하여 상관관계를 최소화하며, 특히 $f_{B_d}\sqrt{\widehat{B}_d}$, $f_{B_s}\sqrt{\widehat{B}_s}$, 및 $\xi = f_{B_s}/f_{B_d}$를 활용한다.
• $\Delta S=2$, $\Delta B=2$, 및 $B\to\tau\nu$ 연산자에서의 새로운 물리학 효과를 효과적 해밀토니안을 통해 모형 독립적인 매개변수화를 적용한다.
• $|V_{ub}|$ 입력을 포함하거나 제외한 채로 피팅을 수행하여 긴장의 원인을 분리하고, $\chi^2$ 기반 $p$-값을 사용하여 피팅의 적합도를 평가한다.
• 허용 영역을 $(\theta_d, r_d)$ 평면에서 $(\Lambda, \varphi)$ 평면으로 매핑하여 새로운 물리학 스케일과 위상의 의미를 해석한다.
• 피팅 예측을 직접 측정치와 비교하여 $\sigma$ 단위로의 편차를 정량화한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 모든 현재 실험 및 라티스 입력을 포함했을 때 유니타리 삼각형 내 긴장의 유의미한 수준은 무엇인가요?
• RQ2 $|V_{ub}|$가 포함된 및 포함되지 않은 붕괴에서의 영향을 고려할 때 글로벌 피팅의 일관성은 어떻게 변화합니까?
• RQ3 $K$-혼합, $B$-혼합, 또는 $B\to\tau\nu$ 붕괴 중 어떤 새로운 물리학 시나리오가 관측된 긴장과 가장 호환됩니까?
• RQ4 관측된 긴장이 $\Delta S=2$ 및 $\Delta B=2$ 4 fermion 연산자에 기여하는 새로운 물리학 때문이라면, 그 선호 에너지 스케일은 무엇입니까?
• RQ5 관측된 이질성은 SM 유사 결합을 가진 최소한의 맛 위반 새로운 물리학 모형으로 설명될 수 있습니까?

주요 결과

• 전체 표준모형에 대한 글로벌 피팅은 $p$-값 6.2%를 얻었으며, 약간의 긴장이 있으나 명백한 일관성 문제 없음을 시사한다.
• 유니타리 삼각형에서 약 3σ의 긴장이 관측되었으며, 주로 포함형 및 배제형 붕괴 간 $|V_{ub}|$의 이질성에 의해 주도된다.
• $|V_{ub}|$를 피팅에서 제거하면 $p$-값은 3.6%로 감소하고, $S_{\psi K}$ 예측은 3.0$\sigma$ 만큼 벗어나며, 여전히 지속적인 긴장이 있음을 시사한다.
• $B\to\tau\nu$ 붕괴 또는 $B$-혼합에서의 새로운 물리학이 약 동일하게 선호되며, 각각 $p$-값 0.33 및 0.39를 기록한다.
• SM 유사 결합을 가정할 경우 새로운 물리학의 선호 스케일은 $\Delta B=2$ 및 $\Delta S=2$ 연산자에 대한 피팅 기반으로 수백 GeV 범위에 있다.
• $K$-혼합에서의 새로운 물리학은 불리하게 평가되며, 긴장을 해결하지 못하고 낮은 $p$-값을 초래한다.