[论文解读] BR(Bs to mu+ mu-) as an electroweak precision test

Diego Guadagnoli, Gino Isidori|arXiv (Cornell University)|Feb 15, 2013

Particle physics theoretical and experimental studies参考文献 35被引用 26

一句话总结

本文采用有效场论方法表明，稀有衰变 $B_s \to \mu^+\mu^-$ 对新物理提供了严格的电弱精度检验，尤其能对夸克的底夸克耦合进行约束。在最小 flavor 破坏（MFV）或一般部分复合（PC）框架下，目前 LHCb 对 $B(B_s \to \mu^+\mu^-)$ 的测量已对左手耦合 $\delta g_L$ 设置了与 Z 峰观测量相当的限制；而对于右手耦合 $\delta g_R$，来自 $B_s \to \mu^+\mu^-$ 的限制比来自 Z 衰变的限制强两个多数量级，尤其在 PC 模型中更为显著。

ABSTRACT

Using an effective-theory approach, we analyze the impact of BR(Bs to mu+ mu-) in constraining new-physics models that predict modifications of the Z-boson couplings to down-type quarks. Under motivated assumptions about the flavor structure of the effective theory, we show that the bounds presently derived from BR(Bs to mu+ mu-) on the effective Z-boson couplings are comparable (in the case of minimal flavor violation) or significantly more stringent (in the case of generic partial compositeness) with respect to those derived from observables at the Z peak.

研究动机与目标

• 评估稀有衰变 $B_s \to \mu^+\mu^-$ 作为探测 Z 玻色子与底夸克耦合中新物理的敏感度。
• 将来自 $B_s \to \mu^+\mu^-$ 的有效 Z 玻色子耦合约束与 Z 峰处的电弱精度观测量所得约束进行比较。
• 评估味结构假设（最小味破坏（MFV）与一般部分复合（PC））对味对角与味改变耦合之间关联的影响。
• 确定 $B_s \to \mu^+\mu^-$ 是否能对影响 $Z \to b\bar{b}$ 耦合的新物理提供比 Z 峰数据更严格的限制。

提出的方法

• 采用有效场论框架，通过维度六算符描述 Z 玻色子与底夸克耦合的偏离。
• 有效拉格朗日量包含算符 $O^{1L}_{ij}$、$O^{1R}_{ij}$、$O^{2L}_{ij}$，它们在树图层次贡献于 $B_s \to \mu^+\mu^-$ 和 $Z \to b\bar{b}$。
• 在两种假设下建模味结构：MFV 框架中，耦合通过 CKM 矩阵和 Yukawa 矩阵相关联；PC 框架中，耦合与复合态的混合参数成正比。
• 通过将 $\delta g_{L,R}^{ij}$ 与分支比 $B(B_s \to \mu^+\mu^-)$ 及 Z 峰观测量（如 $R_b$、$A^b_{\text{FB}}$、$\alpha_s(M_Z)$）关联，推导出对 $\delta g_{L,R}^{ij}$ 的约束。
• 分析使用了最新的标准模型输入，包括 $m_t = 173.2$ GeV、$\alpha_s(M_Z) = 0.1184$、$M_H = 125$ GeV，以计算标准模型预测值及偏离。
• 利用未来 $B(B_s \to \mu^+\mu^-)$ 敏感度的预期改进（例如 $\sigma = 0.3 \times 10^{-9}$），估算未来对 $\delta g_{L,R}$ 的限制。

实验结果

研究问题

• RQ1 来自 $B_s \to \mu^+\mu^-$ 的修正 Z 玻色子与底夸克耦合的约束，与 Z 峰精度观测量所得约束相比如何？
• RQ2 在何种味结构假设下（MFV 与 PC），$B_s \to \mu^+\mu^-$ 对 $\delta g_L$ 和 $\delta g_R$ 提供更强的约束？
• RQ3 $B_s \to \mu^+\mu^-$ 能否探测到 Z-peak 数据无法察觉的 $Z \to b\bar{b}$ 耦合中微小的新物理效应？
• RQ4 在未来的实验精度下，$B_s \to \mu^+\mu^-$ 对 $\delta g_L$ 和 $\delta g_R$ 的预期灵敏度如何？

主要发现

• 当前对 $B(B_s \to \mu^+\mu^-)$ 的实验限制，结合 3.5σ 信号结果 $3.2^{+1.5}_{-1.2} \times 10^{-9}$，在 MFV 假设下对 $\delta g_L$ 的约束已与 Z 峰观测量的约束相当。
• 在部分复合框架中，来自 $B_s \to \mu^+\mu^-$ 的 $\delta g_R$ 约束比来自 Z 峰数据的约束强两个多数量级。
• 若未来实验误差预期为 $\pm 0.3 \times 10^{-9}$，在 PC 模型中 $\delta g_R$ 的 95% 置信水平上限将小于 $3.3 \times 10^{-5}$，显著优于当前限制。
• 在 MFV 模型中，来自 $\delta g_L$ 的有效能标 $\Lambda$ 的约束为 $\Lambda > 2.6$ TeV；在 PC 模型中，其约束为 $m_\rho > (g_\rho \epsilon^q_3) \times 2.6$ TeV。
• 在 PC 模型中，$\delta g_R$ 的约束为 $m_\rho > 0.23 \, \text{TeV} / \epsilon^q_3$，当 $\epsilon^q_3 \ll 1$ 时变得重要，此时 $\delta g_L$ 的约束会变弱。
• 即使在 $B_s \to \mu^+\mu^-$ 中未观测到偏离，MFV 框架下对 $\delta g_R$ 的约束也将比 Z 峰约束更严格。