[論文レビュー] On the effective lifetime of $B_s o \mu \mu \gamma$

Alexandre Carvunis, F. Dettori+3 more|arXiv (Cornell University)|Mar 1, 2021

Particle physics theoretical and experimental studies参考文献 58被引用数 5

ひとこと要約

本稿は、標準模型を超える新しい物理を探索するため、$ B_s^0 \to \mu^+\mu^-\gamma $ 衰えにおける有効寿命およびCP対称性を破る観測量 $ A_{\mu\mu\gamma}^{\Delta\Gamma_s} $ を調査する。低・高 $ q^2 $ 地域の両方を分析することで、高 $ q^2 $ における広がった charm 事象の共鳴不確実性に対して、$ A_{\mu\mu\gamma}^{\Delta\Gamma_s} $ が比の振幅という構造のおかげで著しく頑健であることが示され、これは $ b \to s $ 異常に関連するウィルソン係数における短距離CP対称性の破れを探索する上で有望な手段である。

ABSTRACT

We consider the $ {B}_s^0 $→ μ$^{+}$μ$^{−}$γ effective lifetime, and the related CP-phase sensitive quantity $ {A}_{{\\Delta \\Gamma}_s}^{\\mu \\mu \\gamma} $, as a way to obtain qualitatively new insights on the current B-decay discrepancies. Through a fit comparing pre- to post-Moriond-2021 data we identify a few theory benchmark scenarios addressing these discrepancies, and featuring large CP violation in addition. We then explore the possibility of telling apart these scenarios with $ {A}_{{\\Delta \\Gamma}_s}^{\\mu \\mu \\gamma} $, once resonance-modeling and form-factor uncertainties are taken into account. We do so in both regions of low and high invariant di-lepton mass-squared q$^{2}$. For low q$^{2}$, we show how to shape the integration range in order to reduce the impact of the ϕ-resonance modelling on the $ {A}_{{\\Delta \\Gamma}_s}^{\\mu \\mu \\gamma} $ prediction. For high q$^{2}$, we find that the corresponding pollution from broad-charmonium resonances has a surprisingly small effect on $ {A}_{{\\Delta \\Gamma}_s}^{\\mu \\mu \\gamma} $. This is due to a number of cancellations, that can be traced back to the complete dominance of semi-leptonic operator contributions for high q$^{2}$ — at variance with low q$^{2}$ — and to $ {A}_{{\\Delta \\Gamma}_s}^{\\mu \\mu \\gamma} $ behaving like a ratio-of-amplitudes observable. Our study suggests that $ {A}_{{\\Delta \\Gamma}_s}^{\\mu \\mu \\gamma} $ is — especially at high q$^{2}$ — a potentially valuable probe of short-distance CP-violating effects in the very same Wilson coefficients that are associated to current b → s discrepancies. Its discriminating power, however, relies on progress in form-factor uncertainties. Interestingly, high q$^{2}$ is the region where $ {B}_s^0 $→ μ$^{+}$μ$^{−}$γ is already being accessed experimentally, and the region where form factors are more accessible through non-perturbative QCD methods.

研究の動機と目的

• . 現在の $ b \to s $ 衰えの不一致を説明する新しい物理のシナリオに対する $ A_{\\mu\\mu\\gamma}^{\\Delta\\Gamma_s} $ の感受性を評価すること。
• . 形式因子の不確実性および共鳴モデル（特に $ \phi $ および広がった charm 事象）が $ A_{\\mu\\mu\\gamma}^{\\Delta\\Gamma_s} $ の予測に与える影響を評価すること。
• . $ A_{\\mu\\mu\\gamma}^{\\Delta\\Gamma_s} $ が、大きなCP対称性の破れを示すベンチマーク新しい物理モデルを区別できるかどうかを特定すること。
• . $ A_{\\mu\\mu\\gamma}^{\\Delta\\Gamma_s} $ が、$ b \to s $ 異常に関連するウィルソン係数における短距離CP対称性の破れ効果を探索する手段として実現可能かどうかを検討すること。
• . $ \phi $-共鳴モデルの不確実性を特に低 $ q^2 $ 地域で最小化するための $ q^2 $ 統合領域の最適化を同定すること。

提案手法

• . $ A_{\mu\mu\gamma}^{\Delta\Gamma_s} $ を形式因子の不確実性への感受性を低減するための振幅比観測量として定義する。
• . 理論的不確実性を評価するために、ライトコーン和則（LCSRs）およびBBWアプローチを用いて形式因子のパラメータ化を行う。
• . 2021年Moriond前後の中間状態データにフィットし、大きなCP対称性の破れを示すベンチマーク新しい物理シナリオを同定する。
• . $ A_{\mu\mu\gamma}^{\Delta\Gamma_s} $ の式を、広がったcharm 事象共鳴の寄与によるずれを表す $ \epsilon $ のべき級数に展開し、その影響を推定する。
• . 低 $ q^2 $ 地域における形式因子のパラメータ化を比較し、統合範囲を適切に形状化することで、$ A_{\mu\mu\gamma}^{\Delta\Gamma_s} $ が $ \phi $-共鳴モデルの不確実性に対して頑健であることが判明した。
• . 高 $ q^2 $ においては、半レプトン的オペレーターの支配的寄与と観測量の比構造のおかげで、広がったcharm 事象共鳴の寄与が $ A_{\mu\mu\gamma}^{\Delta\Gamma_s} $ に1%未満にとどまることを示した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 . $ A_{\mu\mu\gamma}^{\Delta\Gamma_s} $ は、$ b \to s $ 異常を説明し、大きなCP対称性の破れを示す新しい物理シナリオを区別できるか？
• RQ2 . $ A_{\mu\mu\gamma}^{\Delta\Gamma_s} $ は、低 $ q^2 $ 地域における $ B_s \to \gamma $ 形式因子および共鳴モデルの不確実性にどれほど感受性を示すか？
• RQ3 . 広がったcharm 事象共鳴（例：$ \psi(2S) $）が高 $ q^2 $ における $ A_{\mu\mu\gamma}^{\Delta\Gamma_s} $ に与える影響は何か？ そして、理論的または実験的選択によってこれを最小化できるか？
• RQ4 . $ A_{\mu\mu\gamma}^{\Delta\Gamma_s} $ は、はたして形式因子の不確実性が存在する中でも、$ C_9 $ および $ C_{10} $ のウィルソン係数における短距離CP対称性の破れをクリアに探査できるほど頑健か？
• RQ5 . 低 $ q^2 $ 地域における $ \phi $-共鳴モデルの影響を $ A_{\mu\mu\gamma}^{\Delta\Gamma_s} $ に最小化するために、$ q^2 $ の統合範囲を形状化できるか？

主な発見

• . 広がったcharm 事象共鳴の影響に対して、高 $ q^2 $ における観測量 $ A_{\mu\mu\gamma}^{\Delta\Gamma_s} $ は1%未満の予測不確実性を持つという点で頑健であることが判明した。
• . 高 $ q^2 $ における広がったcharm 事象共鳴への小さな感受性は、半レプトン的オペレーターの支配的寄与と $ A_{\mu\mu\gamma}^{\Delta\Gamma_s} $ の比構造による多重なキャンセレーションに起因する。
• . 低 $ q^2 $ 地域では、統合範囲を適切に形状化することで、$ \phi $-共鳴モデルの不確実性が $ A_{\mu\mu\gamma}^{\Delta\Gamma_s} $ に与える影響を顕著に低減できる。
• . $ A_{\mu\mu\gamma}^{\Delta\Gamma_s} $ 観測量は、$ C_9 $ および $ C_{10} $ の虚数部に特に感受性を示すため、$ b \to s $ セクターにおける新しいCP対称性の破れ物理を探索する上で価値ある手段である。
• . 本研究は、$ A_{\mu\mu\gamma}^{\Delta\Gamma_s} $ が高 $ q^2 $ で最も効果的であることを示した。高 $ q^2 $ では実験的アクセスがすでに可能であり、形式因子の不確実性も非摂動的QCD手法によってより制約されている。
• . 形式因子からの理論的不確実性が依然として主な誤差源であり、$ A_{\mu\mu\gamma}^{\Delta\Gamma_s} $ の区別力の最大限の活用には、形式因子計算の精度向上が不可欠である。