[논문 리뷰] Weak annihilation and new physics in charmless $B o M M$ decays

Christoph Bobeth, Martin Gorbahn외 1명|arXiv (Cornell University)|2014. 09. 10.

Particle physics theoretical and experimental studies인용 수 42

한 줄 요약

이 논문은 QCD 팩터라이제이션을 사용하여 쿼크가 없는 $B \to MM$ 붕괴에서 약한 붕괴와 새로운 물리학을 조사하며, $u$-$d$ 쿼크 교환 관련 붕괴에 대해 통합된 약한 붕괴 매개변수를 도입한다. 표준모형에서는 유니버설리티에 강력한 지지가 있지만 $B\to K\pi$와 $B\to K^*\phi$를 제외하고는, $\Delta A_{\rm CP}$ 퍼즐을 해결할 수 있는 새로운 물리학 시나리오—예를 들어 QED 펜터와 $b\to s\bar{u}u$ 전류-전류 연산자—를 규명한다.

ABSTRACT

We use currently available data of nonleptonic charmless 2-body $B o MM$ decays ($MM = PP, PV, VV$) that are mediated by $b o (d, s)$ QCD- and QED-penguin operators to study weak annihilation and new-physics effects in the framework of QCD factorization. In particular we introduce one weak annihilation parameter for decays related by ($u \leftrightarrow d$) quark interchange and test this universality assumption. Within the standard model, the data supports this assumption with the only exceptions in the $B o K π$ system, which exhibits the well-known "$ΔA_{CP}$ puzzle", and some tensions in $B o K^* ϕ$. Beyond the standard model, we simultaneously determine weak-annihilation and new-physics parameters from data, employing model-independent scenarios that address the "$ΔA_{CP}$ puzzle", such as QED-penguins and $b o s \bar{u}u$ current-current operators. We discuss also possibilities that allow further tests of our assumption once improved measurements from LHCb and Belle II become available.

연구 동기 및 목표

• 표준모형 내에서 $u$-$d$ 쿼크 교환 관련 $B\to MM$ 붕괴 간의 약한 붕괴 매개변수의 유니버설리티를 시험하기 위해.
• 모델에 종속되지 않는 시나리오를 사용하여 $b\to(d,s)$ 플라버-변경 중성자류 붕괴에서의 새로운 물리학 효과를 규명하고 정량화하기 위해.
• $B\to K\pi$ 붕괴에서의 $\Delta A_{\rm CP}$ 퍼즐을 약한 붕괴와 새로운 물리학 기여로 해결하기 위해.
• 현재의 $B\to MM$ 데이터가 단거리 상호작용 쌍체를 얼마나 잘 제약하는지 평가하고, 향후 LHCb와 Belle II 측정을 준비하기 위해.
• 현상학적 약한 붕괴 매개변수를 사용한 QCD 팩터라이제이션을 통한 강입자 행렬원소 처리를 통해 이론적 불확실성을 줄이기 위해.

제안 방법

• 약한 붕괴 기여를 복소수 현상학적 매개변수로 매개화한 $B\to MM$ 붕괴의 강입자 행렬원소를 QCD 팩터라이제이션(QCDF)을 사용해 계산한다.
• 우도-대체 쿼크 교환 관련 붕괴에 대해 통합된 약한 붕괴 매개변수를 도입하고, 실험 데이터와의 일치성을 검증한다.
• $B_{u,d,s}$와 $B_s$ 붕괴에서 $PP$, $PV$, $VV$ 최종 상태로의 분해율과 CP 비대칭성 실험 데이터에 대한 전반적인 피팅을 수행한다.
• 실험적 및 이론적(부수적) 불확실성을 확률 분포를 통해 통합한 베이지안 우도 접근법을 사용한다.
• 표준 $\chi^2$와 우도 기반 가짜 실험 방법을 모두 사용하여 적합도 평가와 통계적 유의성을 평가하기 위해 $p$-값과 풀 값($p$-values and pull values)을 계산한다.
• QED 펜터와 $b\to s\bar{u}u$ 전류-전류 연산자와 같은 모델에 종속되지 않는 새로운 물리학 시나리오를 분석하여 $\Delta A_{\rm CP}$에서의 이질성을 설명한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 표준모형 내에서 $u$-$d$ 쿼크 교환 관련 $B\to MM$ 붕괴 간에 약한 붕괴 매개변수가 유니버설리티를 갖는가?
• RQ2 현재의 $B\to MM$ 데이터는 $b\to(d,s)$ FCNC 전이에서 표준모형을 초월한 새로운 물리학을 어느 정도 제약할 수 있는가?
• RQ3 QED 펜터나 $b\to s\bar{u}u$ 연산자와 같은 새로운 물리학 시나리오가 $B\to K\pi$ 붕괴에서의 $\Delta A_{\rm CP}$ 퍼즐을 해결할 수 있는가?
• RQ4 약한 붕괴와 강입자 행렬원소에서 기인한 이론적 불확실성은 CP 비대칭성의 해석에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ5 LHCb와 Belle II의 향후 데이터로 약한 붕괴 유니버설리티를 어떻게 시험할 수 있는가?

주요 결과

• 표준모형 내에서 약한 붕괴 매개변수의 유니버설리티 가정은 잘 유지되며, 유일한 두 예외는 $B\to K\pi$와 $B\to K^*\phi$ 붕괴이다.
• $B\to K\pi$ 시스템은 뚜렷한 $\Delta A_{\rm CP}$ 퍼즐을 보이며, 데이터는 표준모형의 약한 붕괴만으로는 설명되지 않는 긴장이 있음을 시사한다.
• QED 펜터와 $b\to s\bar{u}u$ 전류-전류 연산자를 포함한 새로운 물리학 시나리오가 $\Delta A_{\rm CP}$ 퍼즐에 대한 타당한 설명을 제공한다.
• 약한 붕괴와 새로운 물리학 매개변수를 동시에 피팅하면 일관된 제약 조건이 도출되며, 이는 $B\to MM$ 붕괴가 새로운 물리학을 감지하는 민감한 탐사 수단임을 시사한다.
• $p$-값 분석은 표준모형에 유니버설리티가 있는 경우 데이터와 일치함을 확인하나, $B\to K\pi$와 $B\to K^*\phi$ 시스템을 제외하고는 그렇다.
• 향후 LHCb와 Belle II의 고정밀 측정은 약한 붕괴 유니버설리티 가정을 향상된 민감도로 시험할 것으로 기대된다.