[论文解读] Weak annihilation and new physics in charmless $B o M M$ decays

Christoph Bobeth, Martin Gorbahn+1 more|arXiv (Cornell University)|Sep 10, 2014

Particle physics theoretical and experimental studies被引用 42

一句话总结

本文使用QCD因子化方法研究了无粲 $B \to MM$ 衰变中的弱湮灭与新物理，引入了一个适用于 $u$-$d$ 夸克互换相关衰变的通用弱湮灭参数。研究发现，在标准模型中，除 $B\to K\pi$ 和 $B\to K^*\phi$ 外，弱湮灭参数的普遍性得到强有力支持；并识别出若干新物理场景——如QED圈图与 $b\to s\bar{u}u$ 某些当前-当前流——可解决 $\Delta A_{\rm CP}$ 疑难问题。

ABSTRACT

We use currently available data of nonleptonic charmless 2-body $B o MM$ decays ($MM = PP, PV, VV$) that are mediated by $b o (d, s)$ QCD- and QED-penguin operators to study weak annihilation and new-physics effects in the framework of QCD factorization. In particular we introduce one weak annihilation parameter for decays related by ($u \leftrightarrow d$) quark interchange and test this universality assumption. Within the standard model, the data supports this assumption with the only exceptions in the $B o K π$ system, which exhibits the well-known "$ΔA_{CP}$ puzzle", and some tensions in $B o K^* ϕ$. Beyond the standard model, we simultaneously determine weak-annihilation and new-physics parameters from data, employing model-independent scenarios that address the "$ΔA_{CP}$ puzzle", such as QED-penguins and $b o s \bar{u}u$ current-current operators. We discuss also possibilities that allow further tests of our assumption once improved measurements from LHCb and Belle II become available.

研究动机与目标

• 在标准模型框架内，测试 $u$-$d$ 夸克互换相关 $B\to MM$ 衰变中弱湮灭参数的普遍性。
• 通过模型无关的场景，识别并量化 $b\to(d,s)$ 味改变中性流衰变中的新物理效应。
• 通过弱湮灭与新物理贡献，解决 $B\to K\pi$ 衰变中的 $\Delta A_{\rm CP}$ 疑难问题。
• 评估当前 $B\to MM$ 数据对短距离耦合的约束能力，并为未来LHCb与Belle II的测量做好准备。
• 通过QCD因子化方法结合现象学弱湮灭参数，处理强子矩阵元，以减少理论不确定性。

提出的方法

• 采用QCD因子化（QCDF）方法计算 $B\to MM$ 衰变的强子矩阵元，包括以单一复数现象学参数参数化的弱湮灭贡献。
• 为通过 $u\leftrightarrow d$ 夸克互换关联的衰变引入一个通用弱湮灭参数，并利用实验数据检验其有效性。
• 对 $B_{u,d,s}$ 和 $B_s$ 衰变至 $PP$、$PV$ 与 $VV$ 最终态的分支比与CP不对称性实验数据进行全局拟合。
• 采用贝叶斯似然方法，通过概率分布整合实验不确定度与理论（干扰）不确定度。
• 通过计算 $p$-值与拉力值（pull values）评估拟合优度与统计显著性，使用标准 $\chi^2$ 与基于似然的伪实验方法。
• 分析模型无关的新物理场景，包括QED圈图与 $b\to s\bar{u}u$ 当前-当前算符，以解释 $\Delta A_{\rm CP}$ 中的异常现象。

实验结果

研究问题

• RQ1 在标准模型中，弱湮灭参数在 $u$-$d$ 夸克互换相关 $B\to MM$ 衰变中是否具有普遍性？
• RQ2 当前 $B\to MM$ 数据在多大程度上能约束 $b\to(d,s)$ FCNC过程中的标准模型之外的新物理？
• RQ3 如QED圈图或 $b\to s\bar{u}u$ 算符等新物理场景，能否解决 $B\to K\pi$ 衰变中的 $\Delta A_{\rm CP}$ 疑难问题？
• RQ4 弱湮灭与强子矩阵元的理论不确定性在多大程度上影响CP不对称性的解释？
• RQ5 未来LHCb与Belle II的数据在多大程度上可提高对弱湮灭普遍性的检验灵敏度？

主要发现

• 在标准模型中，弱湮灭参数的普遍性假设表现良好，仅有两个例外：$B\to K\pi$ 与 $B\to K^*\phi$ 衰变。
• $B\to K\pi$ 系统表现出显著的 $\Delta A_{\rm CP}$ 疑难，数据表明仅靠标准模型弱湮灭无法解释其中的张力。
• 涉及QED圈图与 $b\to s\bar{u}u$ 当前-当前算符的新物理场景，可为 $\Delta A_{\rm CP}$ 疑难提供合理解释。
• 弱湮灭与新物理参数的联合拟合结果一致，表明 $B\to MM$ 衰变是探测新物理的敏感探针。
• $p$-值分析确认，采用普遍弱湮灭参数的标准模型与数据一致，但 $B\to K\pi$ 与 $B\to K^*\phi$ 系统除外。
• 未来LHCb与Belle II的高精度测量有望以更高灵敏度检验弱湮灭普遍性假设。