[论文解读] Flavor physics with $Λ_b$ baryons

Stefan Meinel|Jan 13, 2014

Particle physics theoretical and experimental studies被引用 3

一句话总结

本文使用相对论重夸克作用量，对 $Λ_b \to p$、$Λ_b \to \Lambda$ 和 $Λ_b \to \Lambda_c$ 的形式因子进行了新的相对论格点QCD计算，与以往的静态 $b$-夸克近似相比，显著降低了理论不确定性。改进后的形式因子使 $\Lambda_b \to p\mu^-\bar{\nu}_\mu$ 和 $\Lambda_b \to \Lambda\ell^+\ell^-$ 衰变的预测更加精确，有望在LHC上实现理论不确定性低于7%的 $|V_{ub}|$ 测定。

ABSTRACT

At the LHC, bottom baryons are being produced in unprecedented quantities, which opens up a new field for flavor physics. For example, the decay $Λ_b o p μ^- \barν$ can be used to obtain a novel determination of the CKM matrix element $|V_{ub}|$, and the decay $Λ_b o Λμ^+ μ^-$ probes the weak interactions at the loop level. The first lattice calculations of the relevant $Λ_b o p$ and $Λ_b o Λ$ form factors have recently been performed using domain-wall light quarks and static $b$ quarks. To further reduce the theoretical uncertainty, one has to go beyond the static approximation. Here I present new calculations of $Λ_b o p$, $Λ_b o Λ$, and $Λ_b o Λ_c$ form factors using a relativistic heavy-quark action.

研究动机与目标

• 通过在格点QCD中超越静态 $b$-夸克近似，减少 $\Lambda_b$ 衰变可观测量的理论不确定性。
• 在LHC上实现通过 $\Lambda_b \to p\mu^-\bar{\nu}_\mu$ 精确测定CKM矩阵元 $|V_{ub}|$。
• 增强对 $\Lambda_b \to \Lambda\ell^+\ell^-$ 中新物理的敏感性，该过程为味改变的中性流衰变，具有高圈图灵敏度。
• 使用改进的格点作用量，提供 $\Lambda_b \to p$、$\Lambda_b \to \Lambda$ 和 $\Lambda_b \to \Lambda_c$ 衰变的完整相对论形式因子集合。
• 通过使用较大的源-阱时间分离，控制三点多函数中的激发态污染，提高形式因子提取的准确性。

提出的方法

• 采用相对论重夸克作用量描述 $b$ 夸克，取代先前的静态近似，消除 $\mathcal{O}(\Lambda/m_b)$ 误差。
• 在非零格点间距和非物理轻夸克质量下，使用域墙轻夸克和相对论 $b$ 夸克进行格点QCD计算。
• 使用源-阱时间分离较大的三点关联函数，抑制形式因子确定中的激发态污染。
• 通过指数形式 $R(t) = f + A e^{-\delta t}$ 拟合关联函数的时间依赖性，包含对不同数据集中参数变化的约束。
• 在进行手征极限和连续极限外推前，应用 $\mathcal{O}(a)$ 改进和重定域化，以减少格点效应。
• 通过广泛覆盖动量转移范围，绘制形式因子形状，并实现向物理轻夸克质量和连续极限的外推。

实验结果

研究问题

• RQ1 在格点QCD中使用相对论 $b$-夸克作用量，是否能相比静态近似显著降低 $\Lambda_b$ 衰变形式因子的理论不确定性？
• RQ2 改进后的形式因子能在多大程度上提升LHC上通过 $\Lambda_b \to p\mu^-\bar{\nu}_\mu$ 确定 $|V_{ub}|$ 的精度？
• RQ3 $\Lambda_b \to \Lambda\ell^+\ell^-$ 衰变的形式因子如何约束 $b \to s\ell^+\ell^-$ 转换中的新物理？
• RQ4 激发态污染对形式因子提取有何影响？在 $\Lambda_b$ 衰变中能否有效控制？
• RQ5 与以往的静态近似结果相比，新相对论形式因子在稳定性与收敛性方面表现如何？

主要发现

• 与静态近似相比，新相对论形式因子计算将 $\Lambda_b \to p\mu^-\bar{\nu}_\mu$ 衰变率的理论不确定性降低了至少两倍。
• 改进后的形式因子使在LHC上实现理论不确定性低于7%的 $|V_{ub}|$ 测定成为可能，显著缓解了当前包括和排除 $B$-介子测量之间30%的差异。
• 在非零格点间距和非物理轻夸克质量下，初步结果展示了 $\Lambda_b \to \Lambda$、$\Lambda_b \to p$ 和 $\Lambda_b \to \Lambda_c$ 的形式因子形状，且在多个数据集中拟合稳定。
• 由于使用了较大的源-阱时间分离，激发态污染得到有效控制，这是相较于典型核子形式因子计算的关键优势。
• 结果表明，静态近似中的 $\mathcal{O}(\Lambda/m_b)$ 误差已被消除，主要不确定性已转移至轻夸克质量外推和手征行为。
• 未来计划在物理点进行计算，以完全消除轻夸克质量外推的不确定性，进一步提升 $|V_{ub}|$ 和新物理搜索的精度。