[论文解读] New Physics in Gamma_12^s: (sbar b) (taubar tau) Operators

Christoph Bobeth, Ulrich Haisch|arXiv (Cornell University)|Sep 8, 2011

Particle physics theoretical and experimental studies参考文献 53被引用 32

一句话总结

本文通过维度六 $(\bar{s}b)(\bar{\tau}\tau)$ 算符研究了 $B_s$-介子混合中 $\Gamma_{12}^{s}$ 矩阵元的新物理效应。研究发现，尽管现有数据对这些非标准贡献有所约束，但它们可能略微改善对 $B_s$ 混合中异常现象的全局拟合，不过其效应仍不足以完全解释 $\phi_{J/\psi\phi}^s$ 和 $\Delta\Gamma_s$ 观测到的与标准模型的偏差。该研究提供了模型无关的约束，并与轻子偶素和 $Z'$-介导的场景进行了对比。

ABSTRACT

Measurements performed at the Tevatron of both the like-sign dimuon charge asymmetry in B_d,s-meson samples and the mixing-induced CP asymmetry in B_s -> J/psi phi depart from their standard model (SM) predictions. This could be an indication for new CP phases in Delta B = 2 transitions, preferentially in B_s-Bbar_s mixing. The experimental situation, however, remained inconclusive, as it favored values of the element Gamma_12^s of the decay matrix in the B_s-meson system that are notably different from the SM expectation, suggesting the presence of new physics in the Delta B = 1 sector as well. The very recent LHCb measurements of B_s -> J/psi phi and B_s -> J/psi f_0, which do not find any evidence for a new-physics phase in the element M_12^s of the mass matrix, point into this direction as well. In this article, we explore the potential size of non-standard effects in Gamma_12^s stemming from dimension-six operators with flavor content (sbar b) (taubar tau). We show that since the existing constraints imposed by tree- and loop-level mediated B_d,s-meson decays are quite loose, absorptive new physics of this type can in part explain the current data. Our model-independent conclusions are finally contrasted with explicit analyses of the new-physics effects in B_s-Bbar_s mixing that can arise from leptoquarks or Z' bosons.

研究动机与目标

• 通过维度六 $(\bar{s}b)(\bar{\tau}\tau)$ 算符评估 $\Gamma_{12}^{s}$ 中新物理的可行性。
• 评估此类算符是否能解释 $B_s$ 混合可观测量（尤其是 $\phi_{J/\psi\phi}^s$ 和 $\Delta\Gamma_s$）中观测到的偏差。
• 利用 $B_d$ 和 $B_s$ 衰变的直接与间接约束，推导出 $\Gamma_{12}^{s}$ 中非标准贡献的模型无关边界。
• 将这些算符的后果与轻子偶素和 $Z'$ 玻色子等显式模型进行比较，以评估其现象学可行性。

提出的方法

• 使用有效场论分析 $B_s$ 系统中维度六 $(\bar{s}b)(\bar{\tau}\tau)$ 算符。
• 应用来自树图和圈图级 $B_d$ 与 $B_s$ 衰变的模型无关边界，以约束 $\Gamma_{12}^{s}$ 中的新物理。
• 利用测量的 $\Delta M_s$ 及其标准模型预测值，推导出 $R_{\Gamma} = \Gamma_{12}^{s,\rm NP}/\Gamma_{12}^{s,\rm SM}$ 的约束。
• 通过 $a_{fs}^s$ 的解析表达式，评估新物理对 $\Delta\Gamma_s$、$\phi_{J/\psi\phi}^s$ 以及类似号双mu子不对称性 $A_{\rm SL}^b$ 的影响。
• 考虑 $M_{12}^{s}$ 与 $\Gamma_{12}^{s}$ 的相位与大小之间的相互作用，特别是在新物理贡献符号假设不同的情况下。
• 将模型无关的结果与轻子偶素和 $Z'$ 模型中的显式实现进行比较，以评估其现象学可行性。

实验结果

研究问题

• RQ1 $(\bar{s}b)(\bar{\tau}\tau})$ 算符在 $\Gamma_{12}^{s}$ 中能否解释标准模型之外 $B_s$ 混合中观测到的异常现象？
• RQ2 当前实验数据对 $\Delta M_s$、$\Delta\Gamma_s$ 和 $\phi_{J/\psi\phi}^s$ 的约束，如何限制 $\Gamma_{12}^{s}$ 中的非标准贡献？
• RQ3 在与现有约束一致的前提下，$\Gamma_{12}^{s}$ 中新物理效应的最大可能大小是多少？
• RQ4 与显式模型（如轻子偶素或 $Z'$ 玻色子）相比，模型无关分析中 $\Gamma_{12}^{s}$ 的约束有何异同？

主要发现

• 来自 $(\bar{s}b)(\bar{\tau}\tau)$ 算符的允许非标准贡献对 $\Gamma_{12}^{s}$ 过小，无法完全解释 $\phi_{J/\psi\phi}^s$ 和 $\Delta\Gamma_s$ 观测到的与标准模型的偏差。
• 来自树图和圈图级 $B_d$ 与 $B_s$ 衰变的现有约束相对宽松，允许 $\Gamma_{12}^{s}$ 中存在非零的新物理效应。
• 引入此类新物理效应可使当前数据的全局拟合得到适度改善，但尚不足以完全解释异常现象。
• 当 $r_{\rm SM}/r_{\rm NP}$ 为正且较小时，对 $\Delta\Gamma_s$ 和 $a_{fs}^s$ 的约束最弱，特别是当 $r_{\rm NP}$ 为实数时。
• 当 $\text{sgn}(r_{\rm NP}) = -1$ 且 $|r_{\rm SM}|/|r_{\rm NP}| > 1$ 时，$\Delta\Gamma_s$ 的上限最弱，表明在特定参数区域内约束最松。
• 模型无关分析表明，$\Gamma_{12}^{s}$ 介导的新物理无法解释 $\phi_{J/\psi\phi}^s$ 中的全部偏差，其与标准模型预测的差距仍达 $2.3\sigma$。