[论文解读] Theory of b --> s/d nu anti-nu

Jernej F. Kamenik|arXiv (Cornell University)|Dec 23, 2010

Particle physics theoretical and experimental studies参考文献 4被引用 3

一句话总结

本文为 b → s/d νν 破衰变提供了全面的理论框架，通过非标准 Z 电磁对贡献分析其对新物理的敏感性。研究识别了关键可观测量——尤其是包含 B → Xsνν 和独态 B → K*νν 极化分数——提供了精确的 SM 预测，并表明新物理效应受与其他味物理可观测量的相关性约束，形式因子不确定性可通过分支比之比降低。

ABSTRACT

The b --> s nu anti-nu transitions are sensitive probes of new physics (NP) in the form of non-standard Z penguin effects. They involve four experimentally accessible observables, among which the inclusive rate of B --> Xs nu anti-nu is the most theoretically clean, but is challenging to study experimentally. Theory errors in exclusive rates are dominated by form factors' normalization. They can be reduced in rate ratios like the K* polarization fractions in B --> K* nu anti-nu or by studying the ratio Br(B --> K nu anti-nu)/Br(B --> K l^+l^-). Measurable NP effects in b --> s/d nu anti-nu can be expressed in terms of two real parameters and are generally correlated with other flavor observables. Although in principle even in minimal flavor violating scenarios, NP can still saturate present direct bounds, in many explicit NP models new effects are already constrained by other B physics observables to be much smaller. Alternatively, b --> s/d E_miss can receive contributions from particles other than neutrinos in the final state and strong modifications of the invariant mass spectra are possible. However, interpretation of such effects in terms of bounds on interactions of such new particles is nontrivial when experimental searches employ kinematical cuts or their signal reconstruction efficiencies depend on expected signal kinematical distributions.

研究动机与目标

• 评估 b → s/d νν 衰变对标准模型之外新物理的理论与实验敏感性。
• 量化独态衰变率中的理论不确定性，特别是形式因子归一化带来的不确定性。
• 提出稳健的可观测量（如 K* 极化分数和分支比之比），以减少形式因子依赖性。
• 研究 b → s/d νν 衰变与其他稀有 B 衰变（如 B → Xsℓ+ℓ− 和 Bs → μ+μ−）之间的相关性。
• 评估轻度长寿命隐形粒子对 b → s/d νν 实验信号解释及有效耦合约束的影响。

提出的方法

• 采用有效哈密顿量方法，利用算符 OνL 和 OνR 描述 b → s/d νν 衰变过程。
• 应用重夸克近似与算符乘积展开，结合 NLO QCD 修正计算包含 B → Xsνν 的衰变速率。
• 利用 QCD 求和规则计算独态衰变中的形式因子，并通过极化分数之比降低不确定性。
• 推导 B → K*νν 中分支比与极化分数的理论预测，包括 SM 值如 ⟨FL⟩SM = 0.54 ± 0.01。
• 通过两个实参数（例如 CνL, CνR）分析新物理效应，并研究其与其他味物理可观测量的相关性。
• 考虑模型无关的约束，以及实验中动量阈值切割与重建效率变化对寻找隐形末态的影响。

实验结果

研究问题

• RQ1 尽管存在形式因子的模糊性，如何最大程度减小独态 b → s/d νν 衰变中的理论不确定性？
• RQ2 现有其他稀有 B 衰变测量在多大程度上约束了 b → s/d νν 中的新物理贡献？
• RQ3 B → K*νν 中的极化分数能否作为独立于形式因子不确定性的新物理稳健探针？
• RQ4 轻度长寿命隐形粒子如何影响 b → s/d νν 实验数据的解释及有效耦合约束？
• RQ5 Br(B− → K−νν)/Br(B− → K−ℓ+ℓ−) 之比在降低新物理搜索中的理论不确定性方面起到什么作用？

主要发现

• 包含衰变分支比 Br(B → Xsνν)SM 的预测精度极高，为 (2.7 ± 0.2) × 10−5，主要受 CKM 矩阵元与 b 夸克质量不确定性主导。
• B → K*νν 中纵向极化分数的预测精度极高：⟨FL⟩SM = 0.54 ± 0.01，形式因子依赖性极小。
• 如 Br(B− → K−νν)/Br(B− → K−ℓ+ℓ−) 等速率之比可显著降低新物理搜索中的形式因子不确定性。
• 在 MSSM 中，由于受到 b → sγ、B → Xsℓ+ℓ− 及 ∆ms/∆md 的约束，CνL 的新物理贡献最多被限制在 ±35% 以内。
• 具有轻度长寿命中性粒子的新物理可能扭曲不变质量谱形，当存在动量阈值切割或效率变化时，会复杂化实验约束的解释。
• 现有来自 B → Xsℓ+ℓ− 的约束表明，除非多个新物理贡献相互抵消，否则 b → sνν 衰变速率被限制在 SM 预测值的两倍以内。