[论文解读] Weak Decays of $b$ and $c$ Quarks

A. Di Canto, Stefan Meinel|arXiv (Cornell University)|Aug 10, 2022

Particle physics theoretical and experimental studies被引用 6

一句话总结

本文主张美国在底夸克和粲夸克弱衰变的精密研究中持续发挥领导作用，强调其对标准模型之外的新物理具有独特敏感性。通过结合下一代质子-质子（$pp$）和正负电子（$e^+e^-$）对撞机实验与先进的格点和连续场论量子场论计算，该计划旨在以前所未有的精度检验轻子 universality、稀有衰变和$CP$破坏，可能揭示高达100 TeV尺度的新物理。

ABSTRACT

Precision measurements in weak decays of heavy flavored hadrons can test in unique ways our understanding of the fundamental interactions and of the observed baryon asymmetry in the Universe. The high sensitivity of such decays to beyond-Standard-Model physics, combined with the lack of major discoveries in direct production of new particles, motivates the continuation of a strong heavy-flavor program in the next decades. The observation of several anomalies by the BaBar, Belle and LHCb experiments in such decays, including evidence for violation of lepton universality, provides particular motivation to vigorously pursue this program. While the mass scales probed by direct searches for non-Standard-Model phenomena at the energy frontier will only marginally increase in the near future, a substantial advancement is expected in the study of weak decays of $b$ and $c$ quarks. The next 10 to 20 years will see the development of a highly synergistic program of experiments at both $pp$ and $e^+e^-$ colliders. This program will be complemented by advancements in theory, including both lattice and continuum calculations. Experimental measurements and theory predictions of several key observables will reach unprecedented precision and will allow to test the Standard Model in ways that have not been possible thus far. With a strong participation in this program, the US high-energy-physics community will remain at the forefront of indirect searches for new physics and retain its leading role in expanding humankind's understanding of fundamental interactions.

研究动机与目标

• 建立长期、协同的实验与理论研究计划，推动重味物理研究，以探测标准模型之外的新物理。
• 解决BaBar、Belle和LHCb实验中观测到的轻子 universality 和稀有衰变方面的持久异常，这些异常表明新物理可能存在于数十至数百TeV的尺度上。
• 确保美国高能物理界在通过积极参与未来实验和理论发展，保持在间接寻找新物理的最前沿。
• 推进格点和连续场论量子场论计算，以实现测试标准模型在稀有衰变和半轻衰变中精度所必需的水平。
• 为美国在LHCb、Belle II和BESIII项目中对探测器升级和计算基础设施的贡献，确保稳定资金与基础设施支持。

提出的方法

• 利用未来在$pp$对撞机（如LHCb升级II）和$e^+e^-$对撞机（如Belle II、BESIII）的升级，收集关于稀有衰变和半轻衰变的高精度数据。
• 应用格点量子色动力学（格点QCD）和有效场论（如重夸克有效理论、非相对论QCD）精确计算形式因子和衰变振幅。
• 通过包含衰变和排他性衰变率计算，检验CKM矩阵的幺正性，并探测$CP$破坏的新来源。
• 对$b \to s \mu^+\mu^-$、$b \to s e^+e^-$和$B_s^0$衰变的实验数据进行全局拟合，量化与标准模型的偏离程度。
• 利用连续场论和格点场论技术，整合QED修正和非轻子衰变振幅。
• 通过在探测器设计、触发算法、数据分析和计算基础设施（如Belle II的Tier 1）中的积极参与，确保美国在该领域的领导地位。

实验结果

研究问题

• RQ1 当前在$b \to s \mu^+\mu^-$衰变和轻子味 universality 比率方面的异常，在多大程度上指向标准模型之外的新物理？
• RQ2 未来在LHCb、Belle II和BESIII的实验能够以多高的精度测量稀有衰变和$CP$破坏观测量，以检验标准模型？
• RQ3 格点QCD和有效场论在减少$b$和$c$强子半轻衰变与稀有衰变中理论不确定性的角色是什么？
• RQ4 美国机构如何在下一代重味实验和理论计算中保持领导地位？
• RQ5 为确保美国在通过弱衰变进行新物理间接搜索中的领导地位，需要多大程度的持续资金与基础设施支持？

主要发现

• LHCb、Belle II和BESIII实验预计每年将产出约220篇论文，与能量前沿实验相当，尽管资金和参与规模较小。
• 观测到的$b \to s\mu^+\mu^-$与$b \to se^+e^-$分支比的平均比值约为0.75，显著低于标准模型预测的1，表明可能存在轻子 universality 的破坏。
• 对$b \to s \mu^+\mu^-$和$b \to se^+e^-$衰变数据的全局拟合显示，与标准模型的偏差超过5σ，表明存在强有力的证据支持新物理。
• 稀有$b$和$c$衰变对数十至数百TeV尺度的新物理极为敏感，使其成为超越能量前沿的新物理的强大探针。
• 美国团队已在LHCb和Belle II的关键组件中发挥主导作用，包括上游追踪器、触发算法和探测器调试。
• 美国格点物理社区（通过USQCD、费米实验室格点合作和HPQCD等合作）在推进重味衰变理论精度方面处于核心地位。