[論文レビュー] Weak Decays of $b$ and $c$ Quarks

A. Di Canto, Stefan Meinel|arXiv (Cornell University)|Aug 10, 2022

Particle physics theoretical and experimental studies被引用数 6

ひとこと要約

この論文は、電弱崩壊におけるbおよびcクォークの精密研究において、米国が持続的なリーダーシップを果たすべきであると主張している。これらの研究は、標準模型を超えた新しい物理現象に特異に感受する。次世代の$pp$および$e^+e^-$衝突実験と、高度な格子および連続場理論のQFT計算を統合することで、この計画は、レプトン普遍性、希少崩壊、$CP$対称性の破れを、未曾有の精度でテストすることを目的としており、100 TeVに達するスケールの新しい物理現象の発見が可能になる可能性がある。

ABSTRACT

Precision measurements in weak decays of heavy flavored hadrons can test in unique ways our understanding of the fundamental interactions and of the observed baryon asymmetry in the Universe. The high sensitivity of such decays to beyond-Standard-Model physics, combined with the lack of major discoveries in direct production of new particles, motivates the continuation of a strong heavy-flavor program in the next decades. The observation of several anomalies by the BaBar, Belle and LHCb experiments in such decays, including evidence for violation of lepton universality, provides particular motivation to vigorously pursue this program. While the mass scales probed by direct searches for non-Standard-Model phenomena at the energy frontier will only marginally increase in the near future, a substantial advancement is expected in the study of weak decays of $b$ and $c$ quarks. The next 10 to 20 years will see the development of a highly synergistic program of experiments at both $pp$ and $e^+e^-$ colliders. This program will be complemented by advancements in theory, including both lattice and continuum calculations. Experimental measurements and theory predictions of several key observables will reach unprecedented precision and will allow to test the Standard Model in ways that have not been possible thus far. With a strong participation in this program, the US high-energy-physics community will remain at the forefront of indirect searches for new physics and retain its leading role in expanding humankind's understanding of fundamental interactions.

研究の動機と目的

• 標準模型を超えた新しい物理現象を探るため、長期間にわたる連携的な実験的・理論的プログラムを重いフラバー物理学分野に確立すること。
• BaBar、Belle、LHCbが観測した、レプトン普遍性および希少崩壊に関する持続的な異常を扱い、それらが数十から数百度のTeVスケールの新しい物理現象を示唆している可能性を検証すること。
• 米国高エネルギー物理学コミュニティが、今後の実験および理論開発への積極的参加を通じて、間接的検索としての新しい物理現象探索分野の先頭に立ったまま保てるようにすること。
• 標準模型を希少崩壊および半レプトン崩壊においてテストするために必要な精度を達成するため、格子および連続場理論のQFT計算を進歩させること。
• LHCb、Belle II、BESIIIにおける検出器のアップグレードおよび計算インfraストラクチャへの米国貢献を支える安定的資金およびインfraストラクチャを確保すること。

提案手法

• LHCb Upgrade IIなどの$pp$衝突実験のアップグレードや、Belle II、BESIIIなどの$e^+e^-$衝突実験のアップグレードを活用し、希少崩壊および半レプトン崩壊の高精度なデータを収集すること。
• 格子量子色力学（Lattice QCD）および有効場理論（例：重クォーク有効理論、非相対論的QCD）を用いて、フォーム因子および崩壊振幅を高い精度で計算すること。
• 包含的および排他的な崩壊率計算を用いて、CKMユニタリティのテストおよび$CP$対称性の破れの新たな源の探査を行うこと。
• $b \to s \mu^+\mu^-$、$b \to s e^+e^-$、および$B_s^0$崩壊の実験データを統合して、標準模型からのずれを定量化すること。
• 連続場理論および格子場理論技術を用いて、QED補正およびノンレプトン的崩壊振幅を統合すること。
• 検出器設計、トリガアルゴリズム、データ解析、計算インfraストラクチャ（例：Belle IIのTier 1）における米国の積極的参加を通じて、リーダーシップを確保すること。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 現在の$b \to s \mu^+\mu^-$崩壊およびレプトンフラバー普遍性比の異常は、標準模型を超えた新しい物理現象をどれほど示唆しているか？
• RQ2 LHCb、Belle II、BESIIIにおける今後の実験は、希少崩壊および$CP$対称性の破れを示す観測量をどれほど高い精度で測定できるか？
• RQ3 格子QCDおよび有効場理論は、bおよびcバリオンの半レプトン崩壊および希少崩壊における理論的不確実性を低減するために果たす役割は何か？
• RQ4 米国機関は、次世代の重いフラバー実験および理論計算分野でリーダーシップを維持するにはどうすればよいか？
• RQ5 間接的検索としての新しい物理現象探索における米国のリーダーシップを確保するには、どの程度の持続的資金およびインfraストラクチャ支援が必要か？

主な発見

• LHCb、Belle II、BESIIIの実験は、資金および参加者数が少ないにもかかわらず、年間約220本の論文を生み出すと予想されており、エネルギー・フロントランナー実験と同等の水準に達する。
• 観測された$b \to s\mu^+\mu^-$と$b \to se^+e^-$の分岐比の平均比は約0.75であり、標準模型の予測値1とは著しく異なるため、レプトン普遍性の破れが示唆されている。
• $b \to s \mu^+\mu^-$および$b \to se^+e^-$崩壊のデータに対するグローバルフィットでは、標準模型からのプルが5σを超え、新しい物理現象の強い証拠を示唆している。
• 希少なbおよびc崩壊は、数十から数百TeVスケールの新しい物理現象に感受するため、エネルギー・フロントランナーを越えた物理現象の強力なプローブである。
• 米国グループは、すでにLHCbおよびBelle IIの主要な部品、例えばアップストリーム・トラッカー、トリガアルゴリズム、検出器のコンmissioningにおいて、主導的役割を果たしている。
• 米国格子コミュニティは、USQCD、Fermilab Lattice、HPQCDなどの共同研究を通じて、重いフラバー崩壊における理論的精度の向上を牽引している。