PowerPoint プレゼンテーション

Belle II 実験における

B中間子を用いた新物理探索

石川 明正

(東北大学)

歴史は繰り返す？

• 精密測定によってcharm, top, Higgs などの未発見粒子の質量

は決定され、その後に予言された質量領域に発見された。

• 新物理も精密測定や禁止過程探索によってスケールが決定さ

れるかもしれない。

– 標準模型からのずれを探る

山中さんからのメール

• 京都産業大学の山中です。 （ほぼ毎年、温泉研究会に参加している山中です。） (略) • 石川さんにカバーしていただきたい内容は、 ・Belleが残した成果と、Belle-IIで期待できる成果 ・_{LHCbが報告する様々なアノマリー(例えば、B to K* anomaly) を} Belle-IIでどこまで検証できるか ・実験屋の視点で何がアノマリーの原因と考えられるか などです。 （略） • ですので、Ｂに加えて、Ｋに関する成果・期待される物理などを 加えていただくと非常に嬉しいです。 BK*ee/BK*mm B_cJ/ytn 消えた？ bsmm, bctn の anomaly について話して、その後に Belle II のBの物理をレビューしたいと思います。

Belle and KEKB

• KEKB – 電子陽電子コライダー – 世界最高ルミノシティーマシン • L = 2.1 * 1034 _/cm2_/sec • 最近 LHC が物理ランでは無いが同程度のルミノシティを出したらしい – 非対称エネルギー（B中間子をブーストするため） • 8.0GeV e- _{× 3.5GeV e}+ • Belle – 時間に依存する CPV を測定出来るように設定 • しかしマルチパーパスの 4p (x94%) 検出器でもある – 772x106 _{のB中間子対を収集} • トータルで1000/fb のデータ Belle detector KEKB

Belle (II) の特徴

• Trigger efficiency ~100% for BB event

– Bnn (nothing) も探索可能

• 中性粒子の再構成が得意 – Ks, g, p0

• B_s mixing の測定が出来ない

– Bs mixing は速すぎて vertex resolution より周期が短い

– もの凄く精度の良い vertex detector と大きな boost を導入すれば出来るか も。。。

LHC

• LHC

– 陽子陽子コライダー

– 世界最高エネルギーのコライダー

• Ecm = 7TeV  8TeV 13TeV (14TeV)

– 膨大なbbペア s=288mb @7TeV • sはEcmにほぼ比例 • e.g. KEKB 1nb – bbペアは主にグルーオンから作られフォワード に飛んでいく – LHCbの衝突点ではルミノシティーを一定に保つ

LHCb

• LHCb

– フォワードスペクトロメータ 2<h<5

– 1/fb@7TeV, 2/fb@8TeV, 3.5/fb@13TeV

– Trigger efficiency が終状態によって大きく違う

LHCbの特徴(1)

• 荷電粒子の測定が得意

– 特に muon が出てくる final state は得意

– Electron は breamstralung があるから運動量分解能は悪い

• LHCでは Primary Vertex (PV) からの g が大量にあるので下手すると間違って recovery してしまう • 中性粒子の再構成は難しい – Ks は良く飛ぶので tracking detector の外まで飛ぶ場合が多い – g は energetic なもの以外は難しい – p0 _{は非常に難しい} – hp+p-gが再構成できたのは驚き • ブーストが大きい

– Bs mixing が測定できる。Time dependent CPVも。

• Flavor tagging が苦手

LHCbの特徴(2)

• B中間子の崩壊点がわからない崩壊は測定が非常に難しい

– 崩壊点の測定には少なくとも２本の飛跡が必要 – 崩壊点が PV から離れている事を要求すると背景事象を抑制できる B0 K+ p -g B0 K+ g g g p+

LHCbの特徴(2)

• B中間子の崩壊点がわからない崩壊は測定が非常に難しい

– 崩壊点の測定には少なくとも２本の飛跡が必要 – 崩壊点が PV から離れている事を要求すると背景事象を抑制できる • BDtn, B_sD_s(*)tnは難しいのでは無いか？ PV B0 K+ p -B0D*-tn : 2本あるのでOK p -D0_bar n t n m PV B0 K+ p -B0D-tn : １本しか無いので難しい。 が、BFが大きいので出来るかも(3prong t?) p -D- n t n m n n 10

Anomalies in bsm

+

m

-• R

_K

, R

_K*

: 理論的に非常にクリーン

Wilson Coefficients in

bsl+l-• In the SM, bs ll can be written by

real

Wilson coefficients in Effective

Hamiltoniam Approach

– bsll : C₇, C₉ and C₁₀

– C₇ ~ -0.3, C₉ ~ 4, C₁₀ ~ -4

• If NP contributes,

– Deviation from the SM values – Lepton flavor dependent C_9e≠C_9m

– Scalar and Tensor coefficients (C_S , C_P and C_T)

– Right handed counter coefficients (C_i’)

• P_L(R) P_R(L)

q

2

distribution for

BK*l+l-• Contribution from C₇ (dipole) is only for low q2

– photon pole 1/q2

• BJ/y(l+l-) K* (tree level process) interferes with

BK*l+l-– Remove this q2_region

• Contributions from C₉ (V) and C₁₀ (A) are basically for whole q2

• Interference btw Vector (C₇, C₉) and Axial vector (C₁₀) currents generates A_FB. BKl+l- の場合は

R

_K(*)

• 標準模型では Lepton Flavor Universality は破れてない

• R

_K

と R

_K*

は not-very-low q

2

_以外は

_unity

_{であるべき}

– Lepton mass の影響が very low q2 _{region ではあるので 1 からずれる}

– QED の NLO も計算

1704.05340

R

_K

, R

_K*

現在の状況

• LHCb で R

_K

, R

_K*

共に Unity からずれている (2.2~2.5s)

– Belle でもアップデートするが数10%程度しか改善できない  Belle II – 本当であれば LHCb 13TeV を 6/fbぐらいで確定できる。

LHCbで間違えてそうなところを無理矢理考えて見る（1）

• 解析は正しそうなことをしていると思う。 • 無理矢理間違えてそうなところを考えると、光子 の recovery • LHCでは大量の光子がPVから作られる • それを間違って recovery – BK*p0 _{e e  photon pole のこいつに PV から} の光子を間違って追加 • ただ B中間子の質量 peak を見ているから、数を間違 えるのは難しい。。。 • 一応 J/psi でみると consistent （元々数が多いから 他の背景事象の影響は無い） J/psi 1<q2_<6GeV2

LHCbで間違えてそうなところを無理矢理考えて見る（2）

• Muon trigger efficiency for low q2_?

• BF と R の結果は muon の deficit

• BJ/psi K* の BF は常に正しい。

• Low q2 _{だと 二つの muon が比較的近い場所を通過する。}

• Trigger を発行する際に、二つの muon が近いと正しく dimuon trigger を発行できないのでは？

• でも、多分 single muon trigger で tag された event で dimuon trigger は 見て check いるだろう。。。

BK*l+l-の微分崩壊幅

• q

2

_{と3つの角度の関数}

• Helicity amplitude の掛け算. 係数 S

_i

と F

_L

は q

2

_{(と form factors)}

の関数

– P_i’ は form factor に insensitive な測定量で “clean”

– P_i’ は Wilson 係数の関数

P

₅

’:現在の状況

• LHCb 3.9s

• Belle 2.6s

• ATLAS 2.7s

Global Fit to bs

• bsl+l- including R

_K(*)

, Bsmm, bsg

– C_9mNP _{~ -1 ： 新物理はミューオン（とタウ？）のみにカップルする}

– 電子にはカップルしない

P

₅

’ : Charm loop は理解できている？

• 実験的な手法は straight forward で間違えにくい

• J/y の下側に charm loop の影響があるかもしれ

ない。 – C₉ に影響が出てくる • モデルに依存する理論計算をしているので、その 影響を本当に理解しているかは定かではない。 – QCD factorization はどこまで信頼できる？

• Inclusive BXsl+l-

なら理論的不定性は少な

い。Charm loop も理解できている。LHCbでは

 Belle II

Anomalies in bctn

• R(D), R(D*) : 理論的にクリーン

• R(J/y) : form factor? 将来的に B

_c

J/ymn の q

2

_{分布が測定さ}

bctn

• 荷電ヒッグス粒子に敏感 – 特に type II (bとt)

– 実験的理論的系統誤差をキャンセルするために

Belle での R(D

(

*

)

)測定

• 逆側の B 中間子を tag する

– Hadronic decay または semileptonic decay

• Signal side の D(_*) _と t からの粒子を再構成する

• 余分な energy がカロリーメータで観測されているかどうかを fit により判 断する。

LHCb での R(D*) の測定

• 細いピークを作るのは D*のmassのみ。

• 後は崩壊点から B の運動量の方向を使う。

• 基本的には BDT (Multivariate Analysis : Black box)で解析 – コントロールサンプルを使って、fitting を validate

R(D*), R(J/y) : 現在の状況

• Combined ~4.0s

– Anomaly を作っているのは主に Babar (2HDM 排除) と LHCb 2015の 結果 – Belle combined は 2s 程度で一致 R. Watanabe, 1709.08644 LHCb

実験的に何か間違っている？

• 理論的にクリーンなので間違えるとしたら実験

• BD**tn などの higher resonance のfeed-down?

– Phase space がより suppress されるので muon mode と ratio をとっても キャンセルしない？

– BD**lnは実験的にちゃんと理解されていない

• そもそも inclusive bcln の rate は測定された exclusive で saturate していない！

– D**の broad な resonance はあまり理解されてない – Slow pion の efficiency?

• 特に LHCb は slow pion が neutral だとお手上げ

Belle II での Bの物理

•

DB = 2 の loop 過程での新物理探索

•

DB = 1 の loop 過程での新物理探索

•

t を含むB崩壊での新物理探索

図と値は B2TiP (Belle II Theory Interface Platform) book がベースとなっ ているが、全てがそうでは無いです。

歴史的に色々な prospects があるのですが、B2TiPが完成したら全てそ れに置き換わります。

Belle II での改善（の一部）

• Full Reconstruction

– 逆側の B の tagging – FRFEI で約2倍

• Effective flavor tagging efficiency

– 30%  40% – DNNとKaon ID Deep Neural Net は非常に powerful

Luminosityの仮定

• 40倍のルミノシティー 8x10

35

_/cm

2

_/s

• 50倍のデータ 50/ab

– ~5x1010 _{BB pair}

B

0

-B

0

Mixing

• B

0

_-B

0

_{mixing is allowed at loop diagram in the SM.}

– Loop is dominated by top quark and W

• New particles, such as

SUSY particles or charged Higgs

, can

enter in the loop

• Two approaches to search for NP with B

0

_-B

0

_{mixing (assuming}

no NP in other tree level processes)

– Unitarity Triangle

– NP amplitude and phase (h and s)

T. Goto et al, Phys.Rev. D53 (1996) 6662-6665

Unitarity Triangle

• To search for the NP in mixing, we use so called Unitarity Triangle (UT)

• From the Unitarity of CKM matrix, triangle can be drawn onto complex plain. • If UT drawn with tree measurements is not consistent with the one with

mixing loop measurements, observation of NP in the mixing

– All the angles and sides can be measured at Belle II

Mixing + BJ/yKs Mixing + Bpp, rp , rr

buln

角の測定

• CPV (干渉) から測定する BDK

f

₁

f

₃

f

₂ Mixing+ Mixing + Bpp, rp , rr Mixing + BJ/yKs Tree Loop B0 p+ p

-角 CKM element process Misc

f₁ ~ -arg(V_td) Mixing + b ccs 理論誤差 ~1 deg

P. Frings et al., Phys. Rev. Lett. 115, 061802 (2015)

f₃ ~ -arg(V_ub) bu + bc 理論的にクリーン <<0.1 deg 実験の誤差を減らすのが重要

f₂ p - (f₁ + f₃) Mixing + bu 理論誤差 ~1 deg. Weak Anihilation?

辺の測定

• Amplitude の二乗を測定 (CP conserving) – 最近 Vcb の exclusive VS inclusive 問題が解決？ – Vub はまだ解決してないが、多分実験の incl が間違えてる（私見） buln B_d mixing

|V

_ub

|

|V

_cb

|

Tree Loop

|V

_td

|

辺 process Misc

|V_td| _{Mixing frequency} Dm_d Lattice QCD の誤差が支配的

|V_ub| BF(buln) Exclusive : Latticeの誤差

Inclusive : 実験と現象論の誤差

Sensitivities of UT Observables

• Loop processes (f₁, f₂) are better precision than tree

– |Vtd| from Dm_d is not shown since this is already dominated by Lattice QCD uncertainty

• Improvement of tree processes (f₃, |V_ub|) are crucial at Belle II b = f₁ a = f₂ g = f₃ d|V_ub| Projection _df 3 Projection (Only GGSZ)

UT (f

₃

and |Vub| only)

• |V_ub| and f₃ can be improved by factors of 3 and 8, respectively.

~2025

UT in 2024

• 現在 Vub と f₁ にずれがあるが、も し central value がこのままだった ら UT が閉じない • Tree level に新物理が無いとしたら mixing に新物理の amplitude が 入っている

NP Amplitude in B

0

-B

0

Mixing

• f₁, f₂, Dm_d, aSL

d

• Assuming no NP in Tree

• O(0.1) NP can be excluded or observed by Belle II

– h_d < 0.07 @95%CL

~2025

CKM fitter PRD 89, 033016 (2014) No NP effects Current central values

DB = 1 の loop 過程での新物理探索

• bs

• bd

Time dependent CPV in bsqq decays

• bs QCD penguin

– In the SM, the CPV parameter sin2f₁eff _should

be consistent with sin2f₁ with BJ/yK0

– New source of CPV phases if new particles enter in the loop

– If deviated from sin2f₁, observation of NP

• Decay modes

– BfKs – Bh’Ks – BKsKsKs

TDCPV in bsqq

• The error is close to theoretical uncertainty of 0.02

• Strong constraints on NP models

– SU(5) SUSY GUT + degenerate n_Rwith inverted hierarchy

Goto, Okada, Shindo, Tanaka PRD 77 095010 (2008)

TDCPV in B

0

K

_s

p

0

g and B

0

r

0

g

• Sensitive to Right handed current

• In the SM, photon is predominantly left handed

– Almost No TDCPV

• New physics with right handed current increases the fraction of right handed photon

– Interfere with the SM occurs and large TDCPV possible

B 1 2 sin 2 4% s CP b m S m f  _{~ a few %}

TCPV in B

0

K

_s

p

0

g and B

0

r

0

g

• Almost same error as theory one ~0.03

• Strong constraint on NP

– SU(5) SUSY GUT + degenerate n_R with inverted hierychy

44

Goto, Okada, Shindo, Tanaka PRD 77 095010 (2008)

0.03 0.06

16s deviation with 50ab-1

Ratio of BKmm and Kee

• BKll proceeds via one loop diagram.

– Lepton flavor universality holds in the SM.

• LHCb reported 2.6s deviation of ratio of BFs from unity.

– However electron mode is not so easy at LHCb, especially for high q2

• Belle II

– Electron and muon modes are same efficiency

R

_K

, R

_K*

and R

_Xs

• Ideal measurements at e+e- B-factory

– Dominant systematic error is from lepton ID ~0.4%. – Statistically dominated even with 50/ab

• About 10/ab (2021) is needed to observe the NP in R_K(*) if central values unchange

• ~3% level for both high and low q2 _{regions with 50/ab}

– Assuming the SM R

– High q2 _{region is very hard at the LHCb}

– eID improvement with TOP and ARICH not included

P

₅

’ and Q

₅

In 2024

• P₅’

– 2.4% for [4,8]GeV2 _{with 50/ab (e and m combined)}

– Better than LHCb with 22/fb (3.7%, only m)

• Just 20% worse than LHCb with 50fb-1 _1.6%

• Q₅ = P₅’e _–P

5’m

– 5.3% with 50/ab

• LHCb might be difficult to perform angular analysis with electron.

Inclusive BXsl

+

l

-• Theoretically clean.

– No form factor uncertainty (~30% for exclusive). – Charm loop calculable more precisely

• A

_FB

and BF sensitive to Wilson coefficients.

Huber, Ishikawa, Virto

( ) _{( )}

( )

(

eff eff

)

eff ( eff eff *)

9 10 7 7 9 2 2 5 * 2 2 3 2 2 2 ˆ 1 ˆ 4 48 2 ˆ 1 2 4 1 12 Re ˆ F b ts tb em C d b s G m V V s ds s C C C s C a p p + -  _{ } _{ } -      _ + + + _ + _ + _    

Tau modes : bstt

• If NP also contributes to tau, important to search for modes

involving taus, bstt, Btt (and LFV modes)

– LFV involving tau – Gauged L_m-L_t

• If the BF is consistent with SM, it is difficult to observe.

PRL 114 091801 (2015) S. L. Glashow et al.

Neutrino modes bsnn

• 理論的に clean

– No charm loop a la bsmm

• いくつかの理論模型でbsmm での新物理が bsnn にも影響

– Vector current に影響？

BK

(

*

)

nn

• Belle II で発見可能

– BFの誤差は10%程度

• K* の longitudinal polarization も測定可能

Wilson Coefficient への制限

• Wilcon coefficients は real を仮定

– BF(BKnn)

– BF(BK*nn)

– BF(BK*nn)+F_L(BK*nn)

• 10%で Wilson coefficient を決定可能

BF(BXs g)

• Exp. and theory are consistent.

– Strong limit on NP.

• The newest Belle result with fully inclusive method is only 7.3% uncertainty.

– Charged Higgs mass > 580 GeV at 95% CL

• moderate tanb (~7) region can be excluded

– LHC is very hard to set the limit.

– Already systematic dominant.

• Can be improved with huge Belle II data

BF(BXsg)

• 理論誤差 7%

– 理論誤差は resolved photon の影響による。

• Photon が spectator に吸収される

– 実験で Isospin Asymmetry (D₀₊) を測定することにより減らせる  理論誤差~3%

• ILCで Higgs coupling の精密測定を行うまでは、多分 BF(BXsg) が2HDM type-II @low~moderate tanb でもっとも強い制限を与える >~900GeV

(need check)

M. Misiak et al, Phys. Rev. Lett. 114, 221801 (2015)

Btn and BD

(

*

)

tn

• Btn

– SM : helicity suppression with m_t

– Sensitive to Charged Higgs since b and t are heavy

– Factor r_H independent on lepton flavor

• Charged Higgs coupling proportional to mt • Bmn also important

• BD(_*)tn

– Sensitive to charged Higgs

56

n

In Type -II 2HDM

Projections of Btn and Bmn

• Btn は 4% 程度で測定可能

• Bmn も 5/ab 程度で発見

– LFU の test が可能

Projections on and BD

(

*

)

tn

• 現在の Belle の中心値を仮定すると 10s 以上で新物理を発見できる。 • また、t の polarization からも Operator に制限をつけられる。 – q2 distribution や P_D*も重要 (統計誤差±系統誤差)

まとめ

• bsmm と bctn で anomaly がある。

• LHCb と Belle II によって、anomaly が発見もしくは排除される。

• 他にも UT の精密測定から、B

_d

mixing に入る新物理の探索や、

bs 過程の CPV による新物理の探索が行われる。

• 歴史は繰り返す？