[论文解读] The strange side of LHCb

M. Borsato, V. V. Gligorov+3 more|arXiv (Cornell University)|Aug 6, 2018

Particle physics theoretical and experimental studies参考文献 45被引用 15

一句话总结

本文主张，轻子味破坏的奇异介子衰变，特别是 $K^+ \to \pi^+ \mu^\pm e^\mp$，是探测由 $B$-介子衰变中异常现象所暗示的新物理的可行途径。通过有效场论方法，研究表明当 $\Lambda \sim 5-15$ TeV 时，分支比可达 $10^{-12}$ 至 $10^{-13}$，并通过可行性研究证明，LHCb 的高亮度升级版本有望探测该范围，显著优于当前的限制。

ABSTRACT

We provide general effective-theory arguments relating present-day discrepancies in semi-leptonic $B$-meson decays to signals in kaon physics, in particular lepton-flavour violating ones of the kind $K o (π) e^\pm μ^\mp$. We show that $K$-decay branching ratios of around $10^{-12} - 10^{-13}$ are possible, for effective-theory cutoffs around $5-15$ TeV compatible with discrepancies in $B o K^{(\ast)} μμ$ decays. We perform a feasibility study of the reach for such decays at LHCb, taking $K^+ o π^+ μ^\pm e^\mp$ as a benchmark. In spite of the long lifetime of the $K^+$ compared to the detector size, the huge statistics anticipated as well as the overall detector performance translate into encouraging results. These include the possibility to reach the $10^{-12}$ ballpark, and thereby significantly improve current limits. Our results advocate LHC's high-luminosity Upgrade phase, and support analogous sensitivity studies at other facilities. Given the performance uncertainties inherent in the Upgrade phase, our conclusions are based on a range of assumptions we deem realistic on the particle identification performance as well as on the kinematic reconstruction thresholds for the signal candidates.

研究动机与目标

• 将轻子味破坏（LFV）的奇异介子衰变与半轻子 $B$-介子衰变中的异常现象联系起来，特别是 $B \to K^{(*)} \mu\mu$ 偏离现象。
• 通过有效场论提出预测，表明与 $B$-物理异常一致的可观测 LFV $K \to \pi \ell \ell$ 分支比是可能的。
• 评估在升级后的 LHCb 实验中探测 $K^+ \to \pi^+ \mu^\pm e^\mp$ 的可行性。
• 在性能不确定性条件下，为 LHCb 对稀有及 LFV 奇异介子衰变的灵敏度设定一个现实的基准。

提出的方法

• 构建一个有效场论，其中在 $\Lambda \sim 5-15$ TeV 的能标下，引入左手中性流的乘积项 ($\bar{b}_L \gamma^\alpha b_L$)($\bar{\tau}_L \gamma_\alpha \tau_L$)，以解释 $B$-衰变异常。
• 在电弱对称性破缺后，将有效相互作用重写为质量本征态基，引入味结构 $\lambda^{q,\ell}$，以预测 $s \to d$ 衰变中的 LFV。
• 通过归一化衰变率以消除相空间依赖性，从而实现 $K \to \pi \mu e$ 与 $K \to \pi \mu \mu$ 和 $K \to \pi e\mu$ 模式的比较。
• 对 LHCb 中信号重建进行详细模拟，变化粒子识别（PID）性能和 $p_T$ 截断的假设。
• 采用现实的误识别概率范围（例如 $\pi \to \mu$ 的误识别率在 0.1% 至 5% 之间），以评估背景抑制与信号探测能力。
• 基于 300 fb$^{-1}$ 的 13 TeV $pp$ 碰撞数据，估算预期灵敏度，考虑触发、重建与 PID 性能的影响。

实验结果

研究问题

• RQ1 能否从解释 $B$-介子衰变异常的有效场论模型中，预测出轻子味破坏的奇异介子衰变？
• RQ2 对于与 $B$-物理数据一致的紫外截断 $\Lambda \sim 5-15$ TeV，$K \to \pi \mu e$ 的分支比预期为多少？
• RQ3 尽管 LHCb 并非专门的奇异介子实验，是否仍能实现对 $K \to \pi \mu e$ 在 $10^{-12}$ 水平的探测灵敏度？
• RQ4 PID 性能与重建阈值的不确定性如何影响 LHCb 对稀有奇异介子衰变的预期灵敏度？

主要发现

• 有效场论预测，当紫外截断 $\Lambda \sim 5-15$ TeV 时，$K \to \pi \mu e$ 的分支比范围为 $10^{-12}$ 至 $10^{-13}$。
• LHCb 的高亮度升级版本有望探测 $K^+ \to \pi^+ \mu^\pm e^\mp$ 至 $10^{-12}$ 的分支比水平，显著优于当前限制。
• 即使在保守的粒子识别假设下（例如 $\pi \to \mu$ 误识别率高达 5%），LHCb 仍可实现与专门实验相当的探测灵敏度。
• 本研究将 $K^+ \to \pi^+ \mu^\pm e^\mp$ 确认为未来 LHCb 及其他设施灵敏度研究的基准模式。
• 结果表明，LHCb 的性能，尤其是先进 PID 与重建技术的结合，可能使其成为稀有及 LFV 奇异介子衰变研究的领先探测工具。
• 可行性研究支持未来在 LHCb 及其他设施（如 NA62 和拟议的 TauFV 实验）中开展专门的灵敏度分析。