[论文解读] New physics reach of CP violating observables in the decay B to K* l+ l-

U. Egede, Tobias Hurth+3 more|arXiv (Cornell University)|Dec 8, 2009

Particle physics theoretical and experimental studies参考文献 10被引用 6

一句话总结

本文利用QCD因子化和软-胶子有效场论研究了稀有衰变$\bar{B}^0 \to \bar{K}^{*0} \ell^+ \ell^-$中CP破坏可观测量对新物理的敏感性。尽管理论和实验方面已作出努力，研究发现由于未知的$\Lambda/m_b$校正带来的主导理论不确定性和实验统计误差，LHCb对威尔逊系数$C_9$、$C_{10}$及其手征对称版本中相位高达$\pi/8$的新物理敏感度有限。

ABSTRACT

We discuss theoretical and experimental preparations for an indirect new physics search using the rare decay B to K*0 (to K pi) l+ l- focusing on CP violating observables. The separation of new physics effects and hadronic uncertainties is the key issue when using flavour observables in a new-physics search. Our analysis is based on QCD factorization and soft-collinear effective theory and critically examines the new physics reach of those observables via a detailed error analysis due to scale dependences, form factors, and other input parameters; we also explore the experimental sensitivities at LHCb using a full-angular fit method; finally, we make the impact of the unknown Lambda/mb corrections manifest in our theoretical predictions.

研究动机与目标

• 评估$\bar{B}^0 \to \bar{K}^{*0} \ell^+ \ell^-$中CP破坏可观测量在探测新物理方面的理论与实验能力。
• 分离强子不确定性（特别是$\Lambda/m_b$校正）对有效场论框架下CP破坏可观测量的影响。
• 通过完整的角分布拟合，评估LHCb对新物理情景的敏感性，同时考虑理论和统计不确定性。
• 确定CP破坏可观测量是否能区分具有不同CP相位的新物理模型。

提出的方法

• 使用QCD因子化和软-胶子有效场论（SCET）计算B → K*的形因子和衰变振幅，包括下一阶QCD校正。
• 在微分衰变率$d^4\Gamma / dq^2 d\cos\theta_l d\cos\theta_K d\phi$中，将CP破坏可观测量构造为角系数函数之差$J_i - \bar{J}_i$，其中$\theta_l$、$\theta_K$、$\phi$分别为轻子和粲夸克的衰变角。
• 进行详细的误差分析，包括尺度依赖性、输入参数不确定性以及$\Lambda/m_b$幂校正，以量化理论不确定性。
• 使用5年LHCb数据（10 fb⁻¹）的玩具蒙特卡洛模拟评估实验敏感性，估算1σ和2σ水平下的统计不确定性。
• 考虑三种基准新物理情景，即单一非零威尔逊系数：$|C^\text{NP}_9| = 2$，$|C^\text{NP}_{10}| = 1.5$，$|C'^\text{NP}_{10}| = 3$，每种情景均具有相位$\Theta = \pi/8$，以检验其与标准模型的可区分性。
• 比较理论不确定性（特别是$\Lambda/m_b$校正）与实验统计误差，评估探测新物理相位的可行性。

实验结果

研究问题

• RQ1 在$\bar{B}^0 \to \bar{K}^{*0} \ell^+ \ell^-$中，CP破坏可观测量能否区分具有约$\pi/8$量级CP破坏相位的新物理情景？
• RQ2 未知的$\Lambda/m_b$幂校正如何影响CP破坏可观测量的理论不确定性？其是否超过标准模型参数不确定性的量级？
• RQ3 在考虑5年数据真实统计不确定性的前提下，LHCb对这些CP破坏可观测量的实验敏感度如何？
• RQ4 CP破坏可观测量的理论不确定性是否小于标准模型水平的CP破坏效应，从而允许清晰的新物理信号？
• RQ5 可观测量$A^{(6)}_s$和$A^{(8)}_s$能否分辨具有不同威尔逊系数和相位的新物理模型之间的差异？

主要发现

• 可观测量$A^{(6)}_s$和$A^{(8)}_s$对右手中性流极为敏感，能够将特定新物理情景（如$C^\text{NP}_{10}$且$\Theta = \pi/8$）与标准模型区分开来。
• 在具有非零CP相位的新物理情景中，$\Lambda/m_b$校正带来的理论不确定性成为主要误差来源，其量级超过标准模型参数不确定性的十倍以上。
• 在标准模型中，$A^{(6)}_s$由于形因子和输入参数引起的不确定性小于$\Lambda/m_b$幂校正；但在新物理情景中，$\Lambda/m_b$校正成为主导因素。
• 对于可观测量$A^{(6)}_s$，所有三种新物理基准均落在预期的1σ实验不确定性范围内（基于5年LHCb数据，10 fb⁻¹），表明无明确的发现潜力。
• 对于$A^{(8)}_s$，新物理基准位于2σ实验不确定性范围内，表明即使在100 fb⁻¹数据（超LHCb）条件下，对相位高达$\pi/8$的新物理敏感度仍有限。
• 研究结论为：由于理论不确定性和统计误差的共同作用，LHCb在$\bar{B}^0 \to \bar{K}^{*0} \ell^+ \ell^-$衰变中对$C_9$、$C_{10}$及其手征对称版本中相位约为$\pi/8$的新物理相位无显著敏感度。