Bs -> mu mu gamma: nouvelle mesure et épreuve de vérité des anomalies de saveur – GammaRare

L'approche utilisée est une exploration structurée de deux interprétations possibles des écarts actuels dans les désintégrations des mésons B -- des nouveaux effets, ou de la physique standard non tenue en compte actuellement. Cette exploration part de la mesure de la désintégration rare et radiative Bs0 ? µ+µ-?. Concernant cette mesure, deux membres du présent projet ont proposé une nouvelle méthode (Dettori, Guadagnoli and Reboud, Bs0 ? µ+µ-? from Bs0 ? µ+µ-, Phys. Lett. B768 (2017) 163–167) qui représente le point de départ du présent projet. Cette méthode suggère de mesurer le spectre de Bs0 ? µ+µ-? à travers les données de Bs0 ? µ+µ-, c.-à-d. sans la détection directe du photon. En partant de cette observation, le projet identifie plusieurs milestones méthodologiques:

1. Mesure. Nous visons une analyse expérimentale complète de Bs0 ? µ+µ-? suivant la méthode de Dettori et al. La mesure sera complémentaire à l'autre analyse en cours, qui est basée sur la détection directe des photons. Plus précisément, la région cinématique à laquelle accèdent les deux analyses est déconnectée l'une de l'autre, et la région concernée par ce jalon est celle qui est plus sensible aux opérateurs O_{9,10} directement intéressants à la lumière des anomalies actuelles.

2. Variables cinématiques. Si elles sont judicieusement choisies, des variables cinématiques supplémentaires pourraient être conçues pour servir un double objectif : améliorer la séparation entre le signal et le bruit de fond, et fournir des informations théoriques supplémentaires.

3. Extension de la méthode. Il serait extrêmement intéressant si la méthode de Dettori et al. -- qui est naturellement conçue pour accéder à la composante du spectre Bs0 ? µ+µ-? du au rayonnement de l'état initial -- soit ajustée pour accéder également à la région qui est dominée par la composante de rayonnement due à l'état final, pour l'instant « simplement » soustraite à l'aide d'un MonteCarlo. La comparaison des mesures séparées avec la théorie pourrait constituer un test décisif entre une explication des anomalies actuelles en termes de nouvelle physique ou bien en termes d'un effet systématique.

4. Compréhension de la théorie. L'étape précédente bénéficie grandement d'une corroboration supplémentaire de l'image théorique actuelle en ce qui concerne l'interprétation en termes de nouvelle physique. À cet égard, nous prendrons des directions d'exploration spécifiques, tant au niveau de la théorie effective qu'au niveau de modèles complets.

5. Corrections QED. Nous visons à calculer les corrections QED dues aux photons dont l'énergie est suffisamment grande pour délocaliser le vertex de l'interaction faible autour d'une distance 1/\sqrt{m_B \Lambda_QCD} dans le contexte de Bs0 ? µ+µ-?.

1. Explorations de la cohérence théorique (2 articles).

L'une des questions clés en rapport avec les anomalies B qui motivent le projet ANR, est de savoir si ces anomalies peuvent être reliées à d'autres éléments de preuve de physique au-delà du modèle standard. L'existence de la matière noire (MN) est l'un des arguments observationnels les plus forts en ce sens.

Nous étudions la question si la matière noire et les anomalies B peuvent avoir une origine commune. Nous le faisons dans deux contextes :
- le modèle de jauge 4321, une configuration calculable et complète dans l'UV qui produit un leptoquark U1, le médiateur unique de loin le plus efficace pour expliquer les anomalies B.
- un modèle de MN composite, dans lequel un nouveau secteur de confinement de type QCD « hypercolor » génère des hyperbaryons naturellement stables comme candidats à la MN.

2. D'autres observables Bs0 ? µ+µ-? avec une incertitude théorique réduite (1 article).

Nous considérons la durée de vie effective de Bs0 ? µ+µ-?, et la quantité connexe sensible à la phase CP A_{Delta Gamma_s}, comme un moyen d'obtenir de nouveaux aperçus sur les anomalies B actuelles. Nous explorons la possibilité de distinguer les scénarios avec une nouvelle violation de CP avec A_{Delta Gamma_s}, une fois que les incertitudes dues à la modélisation des résonances et des facteurs de forme sont prises en compte. Nous le faisons à la fois dans les régions de faible et de forte masse invariante des dileptons au carré.

3. Autres corroborations des anomalies actuelles à partir de données (1 article).

Dans une récente ré-analyse des données Belle de 2018, il a été constaté que l'asymétrie avant-arrière de B ? D^{*}µv vs B ? D^{*}ev est en désaccord avec la prédiction SM d'environ 4sigma, ce qui serait un signe supplémentaire de violation de l'universalité de la saveur leptonique. La déviation putative ci-dessus pourrait avoir une origine commune avec les autres anomalies de saveur. Nous montrons qu'un opérateur tenseur est nécessaire pour améliorer de manière significative l'ajustement global par rapport au SM, qui ne peut être induit que par un leptoquark scalaire.

4. Extensions de la méthode de Dettori et al. (1 articles).

Les nouvelles particules phi dans la gamme MeV-GeV produites dans les collisionneurs et échappant à la détection peuvent être recherchées dans les usines à b et tau en fonctionnement telles que Belle II. Une topologie de recherche typique implique des tau (ou mésons) produits par paires, l'un d'entre eux se désintégrant en états visibles plus le phi, et l'autre fournissant un tag.
Nous observons qu'une telle topologie se prête à l'utilisation de variables cinématiques telles que M_2, et nous construisons une stratégie de mesure à part entière. L'application de notre stratégie conduit à une amélioration d'un facteur proche de 3 de la limite supérieure du rapport d'embranchement pour tau ? e phi, par rapport à la limite actuellement attendue, en supposant m_phi < 1 MeV.

Nous travaillons dans quatre directions complémentaires : (1) Les corrections électromagnétiques à RK au-delà de la QED scalaire ; (2) Un fit global aux anomalies B : nouvelle physique contre explications banales ; (3) anomalies b ? c et signaux dans les désintégrations leptoniques des vecteurs lourds ; (4) Axions dans les désintégrations K.

Ces directions sont conçues pour aborder des questions complémentaires en suspens dans le projet.

Le sujet (1) est au cœur de la proposition ANR. Il s'agit d'évaluer les principales corrections QED pour RK au-delà de l'approximation de l'état de l'art consistant à considérer des mésons externes ponctuels, ce qui correspond à supposer des photons de faible énergie, pas plus grande que l'échelle de confinement QCD. L'idée est d'utiliser une théorie effective molle et colinéaire, avec autant de directions colinéaires que d'états externes chargés.

Le sujet (2) sert à consolider la compréhension théorique actuelle des anomalies d'un point de vue aussi indépendant du modèle et aussi robuste que possible.
Nous visons une évaluation de l'état de l'art des anomalies dans les désintégrations B, en adoptant une approche conservatrice. Dans le cadre de cette approche, nous admettons la possibilité de contributions de longue distance grandes et nous adressons la question dans quelle mesure elles peuvent décrire les données. Ce projet fournit la base d'une interprétation robuste des anomalies dans le cadre d'une approche de théorie effective, c'est-à-dire la plus générale supposant une nouvelle physique au-dessus de l'échelle électrofaible.

Le sujet (3) fait un pas en avant par rapport au précédent, et tente de mettre en relation l'interprétation de nouvelle physique trouvée avec certaines observables à la frontière énergétique, en particulier la production de di-leptons dans de processus de type Drell-Yan. Pour ce faire, nous devons supposer plus qu'une simple théorie effective, comme dans le projet précédent. Nous considérons le cas des leptoquarks, qui sont actuellement l'explication privilégiée de l'ensemble des anomalies que la proposition ANR vise à interpréter.

Enfin, le sujet (4) est un spin-off de l'idée dans Dettori, Guadagnoli et Reboud, Bs0 ? µ+µ-? from Bs0 ? µ+µ-, Phys. Lett. B768 (2017) 163-167, qui a initié la présente proposition. Plutôt que de mesurer Bs0 ? µµ? à partir de Bs0 ? µ+µ-, c'est-à-dire avec un ? non détecté, l'idée est ici de relier une désintégration vers une nouvelle particule non détectée, notamment un axion, à des désintégrations bien mesurées. Nous le faisons avec des désintégrations K sélectionnées. L'objectif est double : contraindre une extension très populaire du SM, par laquelle on introduit une particule de type axion, et tester les limites d'applicabilité de l'idée de Dettori et al.

[1] F. Dettori, D. Guadagnoli and M. Reboud, Bs0 ? µ+µ-? from Bs0 ? µ+µ-, Phys. Lett. B 768 (2017) 163–167, [1610.00629].
[2] D. Guadagnoli, M. Reboud and P. Stangl, The Dark Side of 4321, JHEP 10 (2020) 084, [2005.10117].
[3] A. Carvunis, D. Guadagnoli, M. Reboud and P. Stangl, Composite Dark Matter and a horizontal symmetry, JHEP 02 (2021) 056, [2007.11931].
[4] A. Carvunis, F. Dettori, S. Gangal, D. Guadagnoli and C. Normand, On the effective lifetime of Bs ? µµ?, 2102.13390.
[5] A. Carvunis, A. Crivellin, D. Guadagnoli and S. Gangal, The Forward-Backward Asymmetry in B ? D*l?: One more hint for Scalar Leptoquarks?, 2106.09610.
[6] D. Guadagnoli, C. B. Park and F. Tenchini, t ? l+ invisible through invisible-savvy collider variables, Phys. Lett. B 822 (2021) 136701, [2106.16236].

Tout un ensemble de données issues de désintégrations de mésons B montre une persistance de déviations par rapport aux prévisions du modèle standard (MS), constituant un tableau unique et cohérent dans un ensemble de processus historiquement sensibles à de nouveaux effets. Le plus remarquable est que ces déviations semblent toujours aller dans la même direction. Ces données doivent être examinées en exploitant l’ensemble des données du Run 2 (et suivants) du LHC. Sur le plan théorique, ces données trouvent une explication convaincante dans le cadre de théories effectives, ce qui constitue en soi un résultat non trivial. Cependant, une théorie complète capable d’expliquer en même temps ces anomalies et l’absence de déviations dans de nombreux ensembles de données connexes constitue un défi majeur. Des données expérimentales appropriées seront cruciales pour améliorer la compréhension de la théorie.

Pour l'instant, nous ne pouvons ni écarter la possibilité que ces anomalies sont la manifestation de nouveaux effets, ni la possibilité d'une explication, par exemple, par des effets expérimentaux systématiques qui auraient jusqu'ici échappé à toute considération. Ce projet propose une stratégie pour distinguer ces deux possibilités, basée sur une étude détaillée d'un processus approprié, allant de la théorie à une analyse de données complète. Le processus que nous allons considérer est la désintégration radiative rare Bs0->µ+µ-gamma, mesurée à l'aide des données utilisées pour l'analyse Bs0->µ+µ-, c'est-à-dire sans détection du photon. Cette méthode, exposée dans Phys. Lett. B768 (2017) 163–167 (Réf.[1]), tire profit des avantages des deux désintégrations: nous exploitons l'ensemble de données Bs0->µ+µ-, riche et toujours croissante, comme base pour Bs0->µ+µ-gamma, ce qui permet de sonder plus en profondeur les divergences mentionnées grâce à la présence du photon dans l'état final.

De plus, la nature radiative de la désintégration permet de sonder parallèlement certaines sources cruciales de systématique, notamment QED, comme explication alternative des anomalies, tout en explorant des signes de nouvelle physique.

Concrètement, le projet permettra d'atteindre 4 groupes d'objectifs: (a) confirmer / infirmer le tableau théorique actuel des anomalies en utilisant un nouveau canal de désintégration indépendant et jamais mesuré jusqu'à présent. Ce faisant, le projet fournira (b) la première mesure de cette désintégration. En outre, nous effectuerons (c) une étude théorique systématique des corrections QED au processus dans la région cinématique accessible par notre méthode expérimentale. Ceci fournira un test non trivial de la compréhension des effets QED dans une région où ils sont étroitement liés à la dynamique QCD. Enfin, la comparaison entre le spectre calculé et le spectre mesuré permettra (d) de confirmer / infirmer la compréhension de certaines sources critiques d’incertitudes systématiques dans les mesures divergentes.

L'ensemble de ces 4 groupes d'objectifs comprend des facettes théoriques et expérimentales, imbriquées les unes dans les autres. Les tâches visant à atteindre ces objectifs seront réalisées dans le cadre d'une collaboration "hybride" entre théoriciens et expérimentateurs. L'équipe constituée a déjà collaboré étroitement à travers la co-supervision d'étudiants en doctorat et la publication d'articles, y compris le papier décrivant la méthodologie sous-jacente au projet lui-même, Réf.[1]. Notre consortium assurera également un suivi constant entre la théorie et les différentes facettes expérimentales de sa mise en œuvre.

Le succès du projet repose sur des ressources humaines appropriées: un doctorant co-supervisé au sein de notre équipe et un post-doctorat de 3 ans possédant une expertise sur les approches de théories effectives des observables liés à la saveur, sur le calcul des distributions de désintégration incluant des photons inclusifs, et éventuellement leur codage pour des applications expérimentales.