[论文解读] Flavor Physics in the LHC era: the role of the lattice

Jack Laiho, Enrico Lunghi+1 more|arXiv (Cornell University)|Apr 3, 2012

Particle physics theoretical and experimental studies参考文献 22被引用 8

一句话总结

本文使用最新的格点QCD输入和实验数据，对CKM幺正三角形进行了全局拟合，发现标准模型中存在约3σ的张力，可能暗示存在新物理。研究发现，新物理存在于$B\to\tau\nu$衰变或$B$-混合中的情形大致同样被支持，且新物理的能标偏好位于几百GeV量级。

ABSTRACT

We discuss the present status of global fits to the CKM unitary triangle using the latest experimental and theoretical constraints. For the required nonperturbative weak matrix elements, we use three-flavor lattice QCD averages from www.latticeaverages.org; these have been updated from Ref. [1] to reflect all available lattice calculations as of the "End of 2011". Because of the greater than 3 sigma disagreement between the extraction of |Vub| from inclusive and exclusive semileptonic b -> u l nu (l = e,mu) decays, particular emphasis is given to a clean fit in which we remove the information from these decays. Given current theoretical and experimental inputs, we observe an approximately 3 sigma tension in the CKM unitarity triangle that may indicate the presence of new physics in the quark-flavor sector. Using a model-independent parameterization of new-physics effects, we test the compatibility of the data with scenarios in which the new physics is in kaon mixing, in B-mixing, or in B -> tau nu decay. We find that scenarios with new physics in B -> tau nu decay or in B-mixing are approximately equally preferred. Finally, we interpret these results in terms contributions to Delta S = 2 and Delta B = 2 four-fermion operators. We find that the preferred scale of new physics (with Standard-Model like couplings) is in the few hundred GeV range.

研究动机与目标

• 使用更新的实验数据和格点QCD输入，在幺正三角形框架下检验标准模型CKM矩阵的一致性。
• 识别CKM幺正三角形中持续存在的张力的来源，该张力可能表明夸克味物理中存在新物理。
• 对$\Delta S=2$、$\Delta B=2$以及$B\to\tau\nu$过程中的新物理贡献进行模型无关分析。
• 在假设SM类耦合的前提下，确定与当前数据一致的新物理的偏好能标。
• 评估由于包含$|V_{ub}|$在包括和排除衰变中的$>3\sigma$差异，而将其从拟合中移除的影响。

提出的方法

• 使用截至2011年底的Lattice Averages（www.latticeaverages.org）提供的最新格点QCD平均值，对CKM幺正三角形进行全局拟合。
• 使用三味格点QCD的非微扰矩阵元，特别是$f_{B_d}\sqrt{\widehat{B}_d}$、$f_{B_s}\sqrt{\widehat{B}_s}$和$\xi = f_{B_s}/f_{B_d}$，以最小化相关性。
• 通过有效哈密顿量，对$\Delta S=2$、$\Delta B=2$和$B\to\tau\nu$算符中的新物理效应采用模型无关的参数化。
• 通过$\chi^2$-基于的$p$-值评估拟合优度，对包含和不包含$|V_{ub}|$输入的拟合进行比较，以隔离张力的来源。
• 将$(\theta_d, r_d)$平面上的允许区域映射到$(\Lambda, \varphi)$平面，以解释新物理的能标和相位。
• 将拟合结果与直接测量值进行比较，以量化以$\sigma$单位表示的偏差。

实验结果

研究问题

• RQ1 当包含所有当前的实验数据和格点输入时，CKM幺正三角形中的张力具有多大的显著性？
• RQ2 将$|V_{ub}|$从包括和排除衰变中移除，如何影响全局拟合的一致性？
• RQ3 在$K$-混合、$B$-混合或$B\to\tau\nu$衰变中，哪种新物理情景与观测到的张力最相容？
• RQ4 如果观测到的张力是由于$\Delta S=2$和$\Delta B=2$四费米子算符的新物理贡献所致，新物理的偏好能标是什么？
• RQ5 观测到的差异能否由具有SM类耦合的最小味破坏新物理模型解释？

主要发现

• 全局拟合在完整标准模型下的$p$-值为6.2%，表明存在轻微张力但无明显不一致。
• 在幺正三角形中观测到约3$\sigma$的张力，主要由包括和排除衰变中$|V_{ub}|$的差异驱动。
• 当从拟合中移除$|V_{ub}|$后，$p$-值降至3.6%，且$S_{\psi K}$的预测偏离3.0$\sigma$，表明张力依然存在。
• 新物理存在于$B\to\tau\nu$衰变或$B$-混合中的情形大致同样被支持，其$p$-值分别为0.33和0.39。
• 在假设SM类耦合的前提下，新物理的偏好能标位于几百GeV量级，这是基于对$\Delta B=2$和$\Delta S=2$算符的拟合结果。
• 新物理存在于$K$-混合中的情形不被支持，因为它无法缓解张力，且$p$-值较差。