[论文解读] New Physics in $B_q^0-\bar B_q^0$ Mixing: Present Challenges, Prospects, and Implications for $B_q^0 oμ^+μ^-$

K. De Bruyn, Robert Fleischer+2 more|arXiv (Cornell University)|Aug 31, 2022

Quantum Chromodynamics and Particle Interactions被引用 2

一句话总结

本文采用模型无关方法研究了 $B_q^0$--$\bar{B}_q^0$ 系统中的新物理（NP），重点关注CKM矩阵元测定中的张力（$|V_{cb}|$，$|V_{ub}|$）以及单位三角形（UT）顶点约束。结果表明，由于对不确定的UT顶点依赖性较低，$B_s^0$ 系统比 $B_d^0$ 系统对新物理更敏感，因此在未来新物理搜索中更具优势。

ABSTRACT

The phenomenon of $B^0_q-\bar B^0_q$ mixing ($q=d,s$) provides a sensitive probe for physics beyond the Standard Model. We explore the corresponding space for New Physics left through the current data, having a careful look at analyses of the Unitarity Triangle that are needed for the Standard Model predictions of the $B_q$ mixing parameters. In particular, we explore the impact of tensions between inclusive and exclusive determinations of the CKM matrix elements $|V_{ub}|$ and $|V_{cb}|$. Moreover, we focus on the angle $γ$ of the Unitarity Triangle, comparing measurements from $B o DK$ and $B oππ$, $ρπ$, $ρρ$ decays, where the latter are typically interpreted in terms of the angle $α$. We discuss various scenarios and present the corresponding state-of-the-art constraints on the New Physics parameters of $B_q^0-\bar B_q^0$ mixing. We point out that these results have an interesting application in the analysis of rare $B_q^0 o μ^+μ^-$ decays, allowing us to minimise the impact of CKM parameters in the search for New Physics. In view of the high-precision era, we make future projections. Interestingly, we find that for the extraction of the New Physics parameters in the $B_d$ system the determination of the apex of the Unitarity Triangle results in a key limiting factor. By contrast, the corresponding impact is negligible for the $B_s$ system, making it a promising candidate to reveal sources of New Physics.

研究动机与目标

• 评估 $|V_{cb}|$ 和 $|V_{ub}|$ 的包括与排除测定之间未解决张力对 $B_q^0$--$\bar{B}_q^0$ 混合中新物理（NP）约束的影响。
• 评估单位三角形（UT）顶点在标准模型（SM）混合参数预测中的作用，特别是其对输入选择的敏感性。
• 比较 $B_d^0$ 与 $B_s^0$ 系统中新物理的敏感性，识别哪个系统在探测新物理方面更具前景。
• 提出一种方法，通过利用 $\Delta m_s / \Delta m_d$ 比值，最小化稀有 $B_q^0 \to \mu^+\mu^-$ 衰变分析中CKM参数的不确定性。
• 预测未来高精度味物理中新物理发现的前景，特别是在 $B_s^0$ 系统中的潜力。

提出的方法

• 使用 $\Delta m_q$ 和 $\phi_q$ 测量值，对 $B_q^0$--$\bar{B}_q^0$ 混合中的新物理参数进行模型无关的全局拟合。
• 仅使用 $R_b$ 和 $\gamma$ 构建单位三角形顶点，避免使用对新物理敏感的可观测量（如 $\beta$ 和 $\Delta m_s$），以最小化污染。
• 分析三种情形——排除、包括和混合——的 $|V_{cb}|$ 和 $|V_{ub}|$，以评估其对新物理参数约束的影响。
• 利用比值 $\Delta m_d / \Delta m_s$ 独立于 $\gamma$ 确定UT边 $R_t$，从而实现味对称的新物理分析。
• 将测得的 $B_s^0 \to \mu^+\mu^-$ 分支比约束应用于新物理参数空间，消除对 $|V_{cb}|$ 不确定性的依赖。
• 通过假设 $|V_{cb}|$、$|V_{ub}|$ 和格点QCD计算的输入得到改进，投影未来高精度情景。

实验结果

研究问题

• RQ1 包括与排除测定中 $|V_{cb}|$ 和 $|V_{ub}|$ 的张力如何影响 $B_q^0$--$\bar{B}_q^0$ 混合中新物理允许参数空间？
• RQ2 单位三角形顶点的不确定性在多大程度上限制了 $B_d^0$ 和 $B_s^0$ 系统中新物理的探测灵敏度？
• RQ3 $\Delta m_d / \Delta m_s$ 比值能否在不依赖 $\gamma$ 的情况下提取UT边 $R_t$？这如何提升新物理探测灵敏度？
• RQ4 在当前数据下，味对称的新物理情景是否可行？$B_d^0$ 与 $B_s^0$ 系统的约束揭示了其兼容性的哪些信息？
• RQ5 如何利用 $B_s^0 \to \mu^+\mu^-$ 衰变分支比来约束 $B_s^0$--$\bar{B}_s^0$ 混合中的新物理，同时最小化CKM参数的不确定性？

主要发现

• 由于对单位三角形顶点不确定性的依赖性较低，$B_s^0$ 系统比 $B_d^0$ 系统对新物理更敏感。
• 对于 $|V_{cb}|$ 和 $|V_{ub}|$ 的排除测定，在 3.5σ 显著性水平下，$B_s^0$--$\bar{B}_s^0$ 混合中存在 20% 的新物理贡献。
• 在味对称情景下，$\Delta m_d / \Delta m_s$ 比值可使 $R_t$ 的确定不依赖 $\gamma$，从而得出以 $B_s^0$ 系统为主导的一致图景。
• $B_d^0$ 系统受单位三角形顶点不确定性的限制，而 $B_s^0$ 系统则不受此影响，因此后者是未来新物理探测的更优候选。
• $B_s^0 \to \mu^+\mu^-$ 衰变分支比可通过与 $\Delta m_s$ 构成比值，用于约束混合中的新物理，而无需依赖 $|V_{cb}|$，从而消除了主要的不确定性来源。
• 未来高精度测量将使 $B_s^0$ 系统成为探测新物理的主要通道，因为 $B_d^0$ 系统仍受标准模型输入不确定性的限制。