[论文解读] Rare decays of b and c hadrons

Wolfgang Altmannshofer, F. Archilli|arXiv (Cornell University)|Jun 22, 2022

Particle physics theoretical and experimental studies被引用 5

一句话总结

本白皮书综述了底夸克和粲夸克强子的稀有衰变作为新物理的高灵敏探针，强调其在10–100 TeV能标范围内的新物理具有高度理论敏感性。白皮书概述了Belle II、LHCb、ATLAS、CMS、BESIII以及未来对撞机的实验机遇，同时指出了在强子矩阵元和CKM输入方面存在的关键理论挑战，以匹配即将到来的实验精度。

ABSTRACT

In this white paper for the Snowmass process, we review the status and prospects of the field of rare decays of b and c hadrons. The role that rare decays play in the search for physics beyond the Standard Model is emphasised. We stress the complementarity of a large set of relevant processes and outline the most promising directions. The experimental opportunities at Belle II, BES III, ATLAS, CMS, LHCb, and at future machines are discussed. We also summarize the challenges that need to be addressed on the theory side to achieve theory uncertainties for rare decays that match the expected experimental sensitivities.

研究动机与目标

• 评估底夸克和粲夸克强子的稀有衰变在间接探测标准模型之外新物理中的作用。
• 识别最有望用于检验新物理的稀有衰变过程，尤其是在当前B介子衰变中出现异常的背景下。
• 评估现有及未来设施（包括Belle II、LHCb、ATLAS、CMS、BESIII以及未来e+e−对撞机）的实验潜力。
• 概述在计算强子矩阵元和减少CKM参数不确定性方面面临的关键理论挑战，以匹配实验灵敏度。
• 强调开展全面、多过程的稀有衰变计划对于获得新物理模型稳健约束的重要性。

提出的方法

• 采用有效哈密顿量框架描述稀有衰变中的味改变中性流过程，其中威尔逊系数编码新物理贡献。
• 分析广泛的稀有衰变模式：纯轻子衰变、半轻子衰变、辐射衰变以及B和D介子及强子的双中微子衰变。
• 评估Belle II、LHCb、ATLAS、CMS、BESIII以及未来e+e−对撞机的实验灵敏度，重点关注分支比、角分布和轻子味破坏（LFU）比值。
• 突出在标准模型中强烈抑制的零测试（如粲衰变中的前向-后向不对称性和CP不对称性），这些测试对新物理高度敏感。
• 讨论理论工具，包括用于形式因子的格点QCD、用于稀有衰变的QCD因子化方法，以及用于长程效应的数据驱动方法。
• 提出对稀有底衰变可观测量进行全局拟合，以约束新物理模型并识别多个衰变模式中的一致性模式。

实验结果

研究问题

• RQ1 底夸克和粲夸克强子的稀有衰变在多大程度上能够探测10–100 TeV能标范围内的新物理？
• RQ2 当前B→K*μμ、RK和RK*衰变中的异常如何约束或指向新物理？需要哪些实验测量来确认这些异常？
• RQ3 哪些最敏感的稀有衰变可观测量可用于探测轻子味非守恒或轻子味违反？
• RQ4 如何减少强子矩阵元和CKM参数中的理论不确定性，以匹配未来实验的精度？
• RQ5 未来最具前景的实验计划和理论工具是什么，以最大化稀有衰变的发现潜力？

主要发现

• B介子异常——即B→K*μμ的角分布和LFU比值RK与RK*的偏差——强烈暗示存在新物理，可能指示100 TeV或以下的新质量标度。
• 纯轻子衰变Bs→μ+μ−因理论描述清晰而成为高精度探针，预计将在Belle II和LHCb中以高灵敏度测量。
• Belle II中的B→Xsℓℓ inclusive衰变将对新物理提供关键约束，尤其是在B介子异常的背景下。
• 如B→K*ℓℓ和Λb→Λℓℓ等稀有半轻子衰变提供高灵敏度可观测量，包括角分布，对新物理贡献极为敏感。
• 在稀有粲衰变中，如D→P1P2ℓℓ中的前向-后向不对称性和CP不对称性等零测试，若测得非零值，可提供新物理的明确信号。
• 双中微子衰变b→sνν̄和c→uνν̄在标准模型中受GIM机制强烈抑制，任何观测结果都将是新物理的清晰信号，包括轻的惰性中微子或暗光子。