[论文解读] B ->K*ll: The New Frontier of New Physics searches in Flavor

Sébastien Descotes–Genon, Tobias Hurth+2 more|arXiv (Cornell University)|May 21, 2013

Particle physics theoretical and experimental studies参考文献 24被引用 5

一句话总结

该论文将 $B \to K^{*}\ell\ell$ 确立为味物理中新物理的首选探针，利用角观测量的精确测量以及理论上清晰、模型无关的量。它表明，未来 LHCb 的数据要么揭示标准模型的关联偏离，要么对辐射和半轻子新物理算符施加迄今为止最严格的约束。

ABSTRACT

The exclusive decay mode B ->K*ll has become one of the key players in the search for New Physics in flavor. An increasing number of observables are being studied experimentally, and with increasing precision. Its theoretical description is well under control, and an interesting set of clean observables have been identified, reducing further the theoretical uncertainties. Model-independent analyses show that in the near future this mode will either reveal NP through a pattern of correlated deviations from the SM, or pose very stringent constraints on radiative and semileptonic operators.

研究动机与目标

• 由于实验精度高且理论控制良好，将 $B \to K^{*}\ell\ell$ 确立为测试味物理中新物理的核心过程。
• 识别并分析对理论不确定性不敏感、对新物理贡献敏感的理论清晰、模型无关的可观测量。
• 评估 $B \to K^{*}\ell\ell$ 在通过关联偏离发现新物理或对有效算符施加最严格约束方面的潜力。
• 评估不同角观测量在区分不同新物理场景方面的互补性。

提出的方法

• 采用有效哈密顿量方法，将衰变振幅分解为半轻子和强子贡献，其中前者主要由电磁和半轻子算符主导。
• 应用因子化和有效场论技术（QCDF、SCET、HQET）计算形式因子和矩阵元，特别是在大反冲和低反冲区域。
• 在低反冲区域使用算符乘积展开（OPE）和软π定理，关联形式因子并减少理论不确定性。
• 识别出如 $P_1$、$P_2$、$P_4'$、$P_5'$、$A_{\text{FB}}$、$F_L$ 和 $S_3$ 等“理论清晰可观测量”，其对强相互作用不确定性不敏感，且对新物理高度敏感。
• 利用当前和未来 LHCb 数据，对 $C_7$、$C_9$、$C_{10}$ 和 $C_7'$ 算符空间中的新物理进行无模型的全局拟合，以实现约束。
• 使用格点 QCD 和轻锥求和规则计算形式因子，并评估非因子化和幂次修正以评估理论不确定性。

实验结果

研究问题

• RQ1 在味改变的中性流过程中，$B \to K^{*}\ell\ell$ 是否可作为对新物理敏感且理论稳健的探针？
• RQ2 在 $B \to K^{*}\ell\ell$ 中，哪些角观测量最适合作为标准模型的理论清晰、模型无关的检验？
• RQ3 未来 LHCb 对 $B \to K^{*}\mu^+\mu^-$ 的数据在多大程度上能揭示关联的新物理信号，或对有效算符施加最严格的约束？
• RQ4 理论不确定性（尤其是非因子化和幂次修正）在多大程度上影响 $B \to K^{*}\ell\ell$ 中角观测量的解释？
• RQ5 不同可观测量在区分不同新物理场景方面具有何种互补性？

主要发现

• 由于实验精度不断提高以及对形式因子和矩阵元的理论控制日益增强，$B \to K^{*}\ell\ell$ 现已成为新物理搜索的领先通道。
• 如 $P_1$、$P_2$、$P_4'$ 和 $P_5'$ 等可观测量被识别为理论清晰、模型无关的探针，对强相互作用不确定性不敏感，且对新物理高度敏感。
• 若在第二 $q^2$ 区间内以约 $\sigma \sim 0.1$ 的精度测量 $P_1$ 和 $P_2$，其对新物理的约束将比所有其他辐射和半轻子模式的总和更严格。
• LHCb 的首份 1 fb$^{-1}$ 数据已显示出 $P_1$、$P_2$、$S_3$ 和 $S_9$ 的偏离迹象，尽管不确定性较大，但预示着未来发现的潜力。
• 若半轻子算符中不存在新物理，则 $B \to K^{*}\mu^+\mu^-$ 要么揭示出一致的偏离模式，要么以前所未有的精度排除 $C_7$–$C_7'$ 参数空间中的大范围区域。
• 预期的对偶性破坏和幂次修正将较小，尤其是在对宽 $q^2$ 区间积分时，这增强了理论预测的稳健性。