[论文解读] Rare B-Meson Decays

Mikołaj Misiak|arXiv (Cornell University)|Dec 27, 2011

Particle physics theoretical and experimental studies参考文献 7被引用 13

一句话总结

本文综述了由圈图诱导的味改变中性流介导的稀有B介子衰变，重点研究了 $B_s \to \mu^+\mu^-$ 作为新物理的关键探针。文中给出了标准模型对分支比的预测为 $ (3.34 \pm 0.21) \times 10^{-9} $，并分析了CDF和LHCb的实验约束，强调了该衰变对标准模型之外新物理的敏感性，尤其是在最小味破坏模型中。

ABSTRACT

Rare decays of the B-meson that arise due to loop-mediated FCNC transitions are known to provide important constraints on beyond-SM theories. Basic properties of several such decays are reviewed here.

研究动机与目标

• 综述由圈图诱导的味改变中性流介导的稀有B介子衰变的理论框架与实验现状。
• 评估 $B_s \to \mu^+\mu^-$ 对标准模型之外新物理的敏感性。
• 评估有效场论与威尔逊系数在描述稀有衰变中的作用。
• 将理论预测与CDF和LHC实验的实验约束进行比较。
• 识别在 $b \to s$ 和 $b \to d$ 衰变中探测新物理的最有前景可观测量。

提出的方法

• 使用低能有效场论方法，通过有效拉格朗日量中的维数六算符描述稀有B衰变。
• 应用跑代群技术以重求大对数，并在电弱尺度上计算威尔逊系数。
• 采用 $\overline{\text{MS}}$ 方案，包含QCD和电弱修正，以计算 $B_s \to \mu^+\mu^-$ 的威尔逊系数 $C_A$。
• 利用矩阵元、衰变常数 ($f_{B_s}$) 和相空间因子推导分支比公式。
• 将理论预测与CDF和LHC实验的实验约束进行比较，包括95%置信水平下的联合限制。
• 利用 $B_s \to \mu^+\mu^-$ 的约束，分析新物理在如两Higgs双重模型和CMSSM等模型中的影响。

实验结果

研究问题

• RQ1 标准模型对 $B_s \to \mu^+\mu^-$ 分支比的预测是什么？它对新物理的敏感度如何？
• RQ2 CDF和LHCb的实验约束如何限制分支比？其当前状态如何？
• RQ3 稀有衰变如 $B_s \to \mu^+\mu^-$ 和 $\bar{B} \to X_s\gamma$ 在多大程度上能约束MSSM或两Higgs双重模型等新物理模型？
• RQ4 为何 $B_s \to \mu^+\mu^-$ 被认为比其他 $B \to l^+l^-$ 模式对探测新物理更敏感？
• RQ5 在高精度测量稀有B介子衰变方面，理论与实验面临的主要挑战是什么？

主要发现

• 标准模型预测 $B_s \to \mu^+\mu^-$ 的分支比为 $ (3.34 \pm 0.21) \times 10^{-9} $，基于 $f_{B_s} = 225(4)$ MeV 和 $|V_{cb}| = 0.04185(73)$。
• CDF合作组报告在95%置信水平下上限为 $ 40 \times 10^{-9} $，中心值为 $ 18^{+11}_{-9} \times 10^{-9} $，但后来被LHC结果取代。
• 截至2011年11月，LHCb与CMS合作组联合设定了更严格的上限，为 $ 10.8 \times 10^{-9} $（95%置信水平）。
• $B_s \to \mu^+\mu^-$ 衰变对新物理极为敏感，即使在最小味破坏框架下，也可能出现数量级的增强。
• 标准模型预测的理论不确定性估计约为3%，包括未知的 $\mathcal{O}(\alpha_s^2)$ 项和次领先电弱修正。
• 对两Higgs双重模型II和CMSSM的约束表明，在当前 $B_s \to \mu^+\mu^-$ 约束下，若停夸克质量高达2 TeV，则 $\tan\beta < 40$。