[论文解读] Probing flavoured Axions in the Tail of $B_q o \mu^+\mu^-$

J. Albrecht, Emmanuel Stamou+2 more|arXiv (Cornell University)|Nov 12, 2019

Particle physics theoretical and experimental studies参考文献 52被引用 2

一句话总结

本文提出利用LHCb对$B_q \to \mu^+\mu^-$衰变尾部的二μ子数据，探测轻量QCD轴子及其他新物理（BSM）粒子的味破坏耦合。通过量子色动力学（QCD）求和规则与 dispersion 关系，计算了非本征态$B_q \to \gamma^*$形因子，从而精确计算$B_q \to \mu\mu a$和$B_q \to \mu\mu\gamma$的衰变率，表明完整LHCb数据集可探测到约$10^6$ GeV量级的轴子耦合尺度，涵盖$b \to d$与$b \to s$跃迁。

ABSTRACT

We discuss how LHC di-muon data collected to study $B_q o \mu\mu$ can be used to constrain light particles with flavour-violating couplings to $b$-quarks. Focussing on the case of a flavoured QCD axion, $a$, we compute the decay rates for $B_q o \mu \mu a$ and the SM background process $B_q o \mu \mu \gamma$ near the kinematic endpoint. These rates depend on non-perturbative $B_q o \gamma^{(*)}$ form factors with on- or off-shell photons. The off-shell form factors -- relevant for generic searches for beyond-the-SM particles -- are discussed in full generality and computed with QCD sum rules for the first time. With these results, we analyse available LHCb data to obtain the sensitivity on $B_q o \mu \mu a$ at present and future runs. We find that the full LHCb dataset alone will allow to probe axion-coupling scales of the order of $10^6$ GeV for both $b o d$ and $b o s$ transitions.

研究动机与目标

• 利用LHC二μ子数据探测$B_q \to \mu^+\mu^-$衰变尾部中轻量QCD轴子的味破坏耦合。
• 计算非微扰$B_q \to \gamma^*$形因子，适用于非本征态光子，对新物理衰变率计算至关重要。
• 将QCD求和规则扩展至包含非本征态形因子与低激发共振态区域，通过多重减去dispersion关系实现。
• 评估LHCb在完整数据集下对$B_q \to \mu\mu a$与$B_q \to \mu\mu\gamma$的探测灵敏度，包括未来运行阶段。
• 将形式体系推广至包含轻量、味破坏的新物理矢量玻色子，为更广泛的新物理搜索提供框架。

提出的方法

• 利用多重减去dispersion关系的QCD求和规则，计算非本征态$B_q \to \gamma^*$形因子，以包含低激发共振态贡献。
• 推导出七种非本征态形因子$F^*(q^2, k^2)$的完整基，包含由当前守恒与规范不变性施加的约束。
• 采用$z$-展开参数化$k^2$变量中的形因子，实现对格点与QCD求和规则数据的数值拟合。
• 利用$z$-展开与dispersion关系，将形因子外推至$k^2 \lesssim (2\text{ GeV})^2$区域，这对新物理物理至关重要。
• 利用螺旋度形式体系与计算所得形因子，推导$B_q \to \mu\mu a$与$B_q \to \mu\mu\gamma$在相空间端点附近的微分衰变率。
• 重新分析LHCb数据，推导轴子耦合与新物理矢量玻色子的探测灵敏度限，同时考虑标准模型的辐射背景。

实验结果

研究问题

• RQ1 LHCb在$B_q \to \mu^+\mu^-$衰变相空间尾部的二μ子数据，能否用于探测轻量QCD轴子的味破坏耦合？
• RQ2 非本征态光子的非微扰$B_q \to \gamma^*$形因子为何？如何可靠地计算其在新物理物理中的应用？
• RQ3 包含共振态贡献的非本征态形因子如何影响$B_q \to \mu\mu a$与$B_q \to \mu\mu\gamma$的衰变率？
• RQ4 利用完整LHCb数据集，可实现多高的轴子耦合尺度探测灵敏度？该尺度如何依赖于$b \to d$与$b \to s$跃迁？
• RQ5 该形式体系能否推广至探测$B_q \to \mu\mu V$衰变中轻量、味破坏的新物理矢量玻色子？

主要发现

• 完整LHCb数据集（300 fb$^{-1}$）预计可探测到约$10^6$ GeV量级的轴子耦合尺度，适用于$b \to d$与$b \to s$跃迁。
• 本文首次利用QCD求和规则计算了非本征态$B_q \to \gamma^*$形因子，通过多重减去dispersion关系包含共振效应。
• 利用$z$-展开与dispersion表示，将形因子外推至低激发共振态区域，显著提升在$B_q$质量阈值附近的计算精度。
• 通过推导的形因子，对$B_q \to \mu\mu a$的微分衰变率实现了对非微扰QCD效应的完全控制。
• 将标准模型辐射衰变$B_q \to \mu\mu\gamma$作为背景处理，其衰变率使用相同形因子精确计算，从而实现信号与背景的精确分离。
• 该形式体系已推广至轻量、味破坏的新物理矢量玻色子，对多种耦合组合推导出90%置信水平的排除限，包括$g_V^{bs}/\Lambda^2 \lesssim 9 \times 10^{-7}$。