[论文解读] Theoretical Prospects for B Physics

Robert Fleischer|arXiv (Cornell University)|Sep 2, 2015

Particle physics theoretical and experimental studies参考文献 61被引用 5

一句话总结

本文综述了B物理中的理论前景，重点探讨通过稀有衰变和非轻子衰变对标准模型进行精确检验。文章强调强子相互作用不确定性在解释CP破坏和稀有衰变异常中的关键作用，主张通过改进格点QCD和有效场论方法来探测标准模型之外的新物理。

ABSTRACT

The exploration of B-meson decays has reached an unprecedented level of sophistication, with a phase of even much higher precision ahead of us thanks to run 2 of the LHC and the future era of Belle II and the LHCb upgrade. For many processes, the theoretical challenge in the quest to reveal possible footprints of physics beyond the Standard Model will be the control of uncertainties from strong interactions. After a brief discussion of the global picture emerging from the LHC data, I will focus on the theoretical prospects and challenges for benchmark B decays to search for new sources of CP violation, and highlight future opportunities to probe the Standard Model with strongly suppressed rare B decays.

研究动机与目标

• 评估当前B物理的理论状况及未来挑战，特别是在稀有衰变和CP破坏的背景下。
• 解决强相互作用带来的主要理论不确定性，以实现对B衰变的精确测量。
• 识别可探测标准模型之外物理的关键可观测量和理论框架。
• 强调格点QCD和有效场论在减少强子不确定性方面的重要性。
• 评估Belle II和LHCb未来数据在解决味物理可观测量张力方面的潜力。

提出的方法

• 利用有效场论处理B衰变中从电弱尺度到QCD尺度的多重能量尺度差异。
• 应用低能有效哈密顿量形式，其中局部算符的矩阵元编码了非微扰QCD效应。
• 采用微扰理论计算的威尔逊系数来描述短程物理，包括潜在的新物理贡献。
• 依赖格点QCD精确计算B介子的衰变常数和形因子，特别是$B_{s,d}^0 \to \mu^+\mu^-$等稀有衰变。
• 利用味对称性和振幅关系（如$SU(3)$）来减少非轻子衰变和CP不对称性中的理论不确定性。
• 分析$R_K$、$B \to \tau\nu$和$B \to D^{(*)}\tau\nu$等可观测量之间的相关性，以检验轻子味 universality 和新物理。

实验结果

研究问题

• RQ1 当前在$B \to K^{(*)}\mu^+\mu^-$、$R_K$和$B \to D^{(*)}\tau\nu$衰变中观测到的异常在多大程度上表明存在标准模型之外的新物理？
• RQ2 如何减少强相互作用带来的理论不确定性，以实现对稀有B衰变中标准模型的精确检验？
• RQ3 在用于提取CP破坏相位和胶子跃迁贡献的振幅关系中，$SU(3)$对称性破缺起什么作用？
• RQ4 Belle II和LHCb升级后的未来数据在多大程度上能改善$\phi_s$、$\phi_d$和$\gamma$的测定？
• RQ5 有效寿命$B_s^0 \to \mu^+\mu^-$在何种方式下可作为理论上清晰的可观测量来探测新物理？

主要发现

• 测量得到的$B_s^0 \to \mu^+\mu^-$分支比与标准模型预测高度一致，验证了其精确性。
• $R_K$比值（定义为分支比$B^+ \to K^+ \mu^+\mu^-$与$B^+ \to K^+ e^+e^-$的比值）显示出与轻子味 universality 的2.5σ偏离，提示可能存在新物理。
• LHCb在$B^0_d \to \mu^+\mu^-$分支比上观测到3σ的张力，与标准模型预测不符，但尚未得出结论。
• 对$B \to \pi K$衰变的理论分析表明，$B^0_d \to \pi^0 K_S$是探测电弱胶子跃迁贡献的有希望的通道。
• $B^0_s \to J/\psi \phi$衰变模式由于LHCb升级，实现了对$\phi_s$的清晰测定，胶子污染极小。
• $\Lambda_b^0 \to p \mu^- \bar{\nu}_\mu$的强子衰变中首次测量到$|V_{ub}|$，其结果与独立的半轻子B衰变一致，减少了$|V_{ub}|$测定中的张力。