[논문 리뷰] PSI/UZH Workshop: Impact of $B oμ^+μ^-$ on New Physics Searches

Andreas Crivellin, Margherita Ghezzi외 19명|arXiv (Cornell University)|2018. 03. 27.

Particle physics theoretical and experimental studies참고 문헌 45인용 수 13

한 줄 요약

이 논문은 $B\to\mu^+\mu^-$ 붕괴가 뉴 트랙스 물리 탐색에 미치는 영향에 대해 PSI/UZH 워크숍의 요약을 담고 있으며, $b\to s\mu^+\mu^-$ 및 $b\to c\tau\nu$ 전이에서 렙톤 프레어러 유니버설리티 위반에 대한 중요한 실험적 힌트를 강조한다. 주요 기여는 현재의 데이터를 종합하여 $R_\mu(K^{(*)})$와 $P_5'$가 표준모형에서 벗어나는 경향을 보여주며, 이론적으로 청소된 상태와 높은 실험 정밀도 잠재력을 지닌 $B_s\to\mu^+\mu^-$가 다양한 뉴 트랙스 물리 모델을 구분하는 데 핵심적인 탐사 수단이 되고 있음을 밝힌다.

ABSTRACT

In these mini-proceedings we review the results of the workshop `Impact of $B oμ^+μ^-$ on New Physics Searches' that took place at the Paul Scherrer Institute (PSI) on the 18th-19th December 2017.

연구 동기 및 목표

• 표준모형을 초월한 뉴 트랙스 물리의 탐색 수단으로서 $B\to\mu^+\mu^-$ 붕괴의 현재 실험적 및 이론적 상태를 평가하는 것.
• 특히 렙톤 프레어러 유니버설리티 위반과 관련하여 $b\to s\mu^+\mu^-$ 및 $b\to c\tau\nu$ 붕괴에서 관측된 편차의 일관성과 함의를 평가하는 것.
• $b\to s\mu^+\mu^-$ 관측량, $B\to\tau\tau$ 붕괴, 그리고 $\mu\to e$ 프레어러 위반과 같은 희귀 과정 간의 연관성을 탐색하는 것.
• $B_s\to\mu^+\mu^-$가 경쟁하는 뉴 트랙스 모델을 구분하는 데 있어 청소된 상태이자 고정밀도 테스트로서의 역할을 평가하는 것.

제안 방법

• 비구속 최대우도 피팅을 사용하여 CMS 및 LHCb의 $B_s\to\mu^+\mu^-$ 및 $B_d\to\mu^+\mu^-$ 데이터 분석.
• 측정된 붕괴율과 $P_5'$, $R_\mu(K^{(*)})$와 같은 각도 관측량을 표준모형 예측과 비교.
• $b\to s\mu^+\mu^-$ 및 $b\to c\tau\nu$ 붕괴에서의 편차를 해석하기 위해 효과적 장 이론과 모델 독립적 프레임워크의 사용.
• $\tau\to K_S\pi\nu$ $CP$ 비대칭성과 중성자 전기 dipole 모멘트로부터 텐서 상호작용에 대한 제약 조건 평가.
• 300\,\mathrm{fb}^{-1}$ 광량 조건에서의 향후 전망 평가로, $\mathcal{B}(B_s\to\mu^+\mu^-)$의 정확도가 12%로 예측되고, $\mathcal{B}(B_d\to\mu^+\mu^-)$는 47%로 예측됨.
• $B\to K^*\mu^+\mu^-$ 데이터의 교차 분석을 통해 $P_5'$와 $R_\mu(K)$를 추출하고, 표준모형 및 뉴 트랙스 모델과의 일관성을 시험함.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 현재의 $B\to\mu^+\mu^-$ 측정치가 표준모형 예측에서 얼마나 벗어나 있으며, 이러한 편차는 통계적으로 유의미한가?
• RQ2 $R_\mu(K^{(*)})$와 $P_5'$에서 관측된 이상 현상은 하나의 뉴 트랙스 모델로 설명될 수 있는가? 그리고 $B_s\to\mu^+\mu^-$는 이러한 모델을 어떻게 구분하는가?
• RQ3 $B_s\to\mu^+\mu^-$는 뉴 트랙스 시나리오에서 축상자성 대비 벡터 쿠퍼링의 차이를 어떻게 청소된 탐사 수단으로서 기능하는가?
• RQ4 $b\to c\tau\nu$ 붕괴에서의 이상 현상은 $b\to s\mu^+\mu^-$에서의 것과 어떻게 관련되어 있으며, 공통의 기원을 공유할 수 있는가?
• RQ5 $\tau\to K_S\pi\nu$ $CP$ 비대칭성과 $D$–$\bar{D}$ 혼합이 텐서 상호작용이 렙톤 프레어러 유니버설리티 위반의 메커니즘으로서 어떤 제약을 가하는가?

주요 결과

• CMS는 $\mathcal{B}(B_s\to\mu^+\mu^-) = (3.0^{+1.0}_{-0.9})\times 10^{-9}$를 측정하였으며, 배경을 초월해 $4.3\sigma$의 유의미한 신호를 확보하여 배경만 존재하는 가설을 초월하는 신호를 확인하였다.
• LHCb는 $\mathcal{B}(B_s\to\mu^+\mu^-) = (3.0 \pm 0.6^{+0.3}_{-0.2})\times 10^{-9}$를 보고하였으며, 표준모형과 일치하며, 효율적 수명을 $2.04 \pm 0.44\,\mathrm{ps}$로 측정하여 $A_{\Delta\Gamma}^{\mu^+\mu^-} = 1$과 $1.0\sigma$ 수준에서 일치함을 확인하였다.
• $B_d\to\mu^+\mu^-$ 붕괴율은 LHCb에 의해 95% 신뢰수준에서 $<1.5 \times 10^{-10}$로 측정되었으며, 배경만 존재하는 가설을 $1.6\sigma$ 수준에서 기각하였지만 여전히 표준모형과 일치함을 보였다.
• LHCb는 $1\,\mathrm{fb}^{-1}$ 데이터셋에서 $B\to K^*\mu^+\mu^-$의 $P_5'$에서 $3.7\sigma$의 편차를 관측하였으며, $3\,\mathrm{fb}^{-1}$ 데이터로 확인되어 큰 $K^*$ 반동 영역에서 두 개의 인접한 밴드에서 $3\sigma$ 편차를 보였다.
• $R_\mu(K)$ 비율은 더 높은 정밀도로 측정되어 표준모형 예측에서 벗어나는 경향을 보였으며, $R_\mu(K^*)$ 역시 렙톤 프레어러 유니버설리티 위반과 일치하는 이상 현상을 보였다.
• $B_s\to\tau^+\tau^-$ 붕괴율은 $B_s$-지배 가정 하에 90% 신뢰수준에서 $<5.2\times 10^{-3}$로 제약되었고, $B_d\to\tau^+\tau^-$는 $B_d$-지배 가정 하에 90% 신뢰수준에서 $<1.6\times 10^{-3}$로 제약되었다.