[論文レビュー] Theoretical Prospects for B Physics

Robert Fleischer|arXiv (Cornell University)|Sep 2, 2015

Particle physics theoretical and experimental studies参考文献 61被引用数 5

ひとこと要約

この論文は、B物理学における理論的展望をレビューし、レアおよび非レプトン性B崩壊を通じた標準模型の高精度テストに焦点を当てる。CP対称性の破れやレア崩壊の異常を解釈するうえで強い相互作用の不確実性が果たす重要な役割に注目し、標準模型を超える新しい物理を探索するため、格子QCDおよび有効場理論の手法の改善を提唱する。

ABSTRACT

The exploration of B-meson decays has reached an unprecedented level of sophistication, with a phase of even much higher precision ahead of us thanks to run 2 of the LHC and the future era of Belle II and the LHCb upgrade. For many processes, the theoretical challenge in the quest to reveal possible footprints of physics beyond the Standard Model will be the control of uncertainties from strong interactions. After a brief discussion of the global picture emerging from the LHC data, I will focus on the theoretical prospects and challenges for benchmark B decays to search for new sources of CP violation, and highlight future opportunities to probe the Standard Model with strongly suppressed rare B decays.

研究の動機と目的

• レア崩壊およびCP対称性の破れの文脈において、B物理学の現在の状況と将来の理論的課題を評価すること。
• 精密なB崩壊測定における支配的理論的不確実性である強い相互作用の影響を扱うこと。
• 標準模型を超える物理を探索するための主要な観測量および理論的枠組みを特定すること。
• ハドロン的不確実性を低減するために格子QCDおよび有効場理論の重要性を強調すること。
• Belle IIおよびLHCbの今後のデータが、フレーバー観測量における矛盾を解消する可能性を評価すること。

提案手法

• B崩壊におけるエネルギースケールの大きな階層（電弱スケールからQCDスケールまで）を扱うために有効場理論を用いる。
• 低エネルギー有効ハミルトニアン形式を適用し、局所的演算子の行列要素が非摂動的QCD効果を記述する。
• 摂動論的計算により得られるウィルソン係数を用いて、短距離物理（可能性のある新しい物理の寄与を含む）を記述する。
• 特にレア崩壊（例：$B_{s,d}^0 \to \mu^+\mu^-$）におけるB中間子の崩壊定数および形式因子の正確な計算に、格子QCDに依存する。
• フレーバー対称性および振幅関係（例：$SU(3)$）を用いて、非レプトン性崩壊およびCP不変量における理論的不確実性を低減する。
• Leptonフラバー不変性のテストおよび新しい物理の探索のため、$R_K$、$B \to \tau\nu$、$B \to D^{(*)}\tau\nu$ などの観測量の相関を分析する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 B \to K^{(*)}\mu^+\mu^-、$R_K$、および$B \to D^{(*)}\tau\nu$ 崩壊における現在の異常は、標準模型を超える新しい物理をどの程度示唆しているか？
• RQ2 強い相互作用に起因する理論的不確実性は、どのように低減され、レアB崩壊における標準模型の高精度テストを可能にするか？
• RQ3 振幅関係に用いられる$SU(3)$対称性の破れは、CP対称性の破れ位相およびペンギン項の寄与を抽出するうえで果たす役割は何か？
• RQ4 Belle IIおよびLHCbアップグレードの今後のデータは、$\phi_s$、$\phi_d$、および$\gamma$ の決定をどの程度改善するか？
• RQ5 B_s^0 \to \mu^+\mu^- の有効寿命は、新しい物理を探索する理論的にクリーンな観測量として、どのような点で有効か？

主な発見

• B_s^0 \to \mu^+\mu^- の測定された分岐比は、標準模型の予測と高い精度で一致しており、その予測の妥当性を確認している。
• R_K比は、$B^+ \to K^+ \mu^+\mu^-$ と $B^+ \to K^+ e^+e^-$ の分岐比の比として定義され、レプトンフラバー不変性から$2.5\sigma$のずれを示しており、新しい物理の可能性を示唆している。
• LHCbは、$B^0_d \to \mu^+\mu^-$ の分岐比について、標準模型の予測と$3\sigma$の矛盾を観測しているが、まだ決定的ではない。
• B \to \pi K 崩壊の理論的解析により、$B^0_d \to \pi^0 K_S$ は電弱ペンギン項の寄与を調べるのに有望なチャンネルであると示唆されている。
• B^0_s \to J/\psi \phi$ 崩壊モードは、LHCbのアップグレードのおかげでペンギン汚染が最小限に抑えられ、$\phi_s$ の明確な決定が可能になっている。
• バリオン性崩壊 $\Lambda_b^0 \to p \mu^- \bar{\nu}_\mu$ からの $|V_{ub}|$ の最初の測定は、排他的な半レプトン性B崩壊と整合しており、$|V_{ub}|$ の決定における矛盾を軽減している。