2022 Fiscal Year Annual Research Report
Direct lattice QCD simulation of bottom quarks for search for new physics
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21H01085
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| Allocation Type | Single-year Grants |
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| Research Institution | High Energy Accelerator Research Organization |
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Principal Investigator |
金児 隆志 大学共同利用機関法人高エネルギー加速器研究機構, 素粒子原子核研究所, 准教授 (20342602)
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| Project Period (FY) |
2021-04-01 – 2025-03-31
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| Keywords | 量子色力学 / 数値シミュレーション / フレーバー物理 / 新しい物理 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
B中間子の多彩なセミレプトニック崩壊は、素粒子標準理論の基礎パラメタである小林・益川行列要素の決定を与えるとともに、標準理論を超える「新物理」の有望なプローブと期待されている。しかし、終状態を指定するエクスクルーシブ崩壊と指定しないインクルーシブ崩壊から決定した小林・益川行列要素|Vub|、|Vcb|が有意にずれており、理論の不定性が十分に理解されていないことを示唆している。そこで、本研究では、理論計算の最大の不定性の源であり、量子色力学（QCD）の非摂動効果を記述する形状因子を格子QCDの数値シミュレーションによって高精度で計算することを目指す。
当該年度は、小林・益川行列要素|Vub|の決定を与えるB→πlν崩壊の形状因子の計算を進めた。QCDの重要な対称性であるカイラル対称性に基づいたカイラル摂動論によれば、この形状因子は非解析的なπ中間子質量依存性を持つ。このため、先行研究の支配的な誤差は、統計誤差と現実世界へのπ中間子質量についての外挿、即ち、カイラル外挿によって生じていた。そこで本研究では、前者をスーパーコンピュータ「富岳」を用いた高統計シミュレーションによって制御し、また、カイラル対称性を保つ理論的にクリーンな定式化を用いて後者を制御した。非物理的なクォーク質量と離散的な運動量遷移で得られた形状因子のデータを、カイラル摂動論と重クォーク有効理論が予言する関数形を用いて現実世界のクォーク質量へと外挿し、また、形状因子の正則性に基づいた運動量遷移依存性の内挿を行い、現実世界のクォーク質量での形状因子を運動量遷移の関数として決定した。異なる格子間隔でシミュレーションを行い、連続時空への外挿も行えば、本研究の結果は、Belle II実験などで得られる高精度の実験データと組み合わせて|Vub|の決定、新物理探索を行うための基礎理論データとなる。
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.
Reason
重いボトムクォークを含む中間子のセミレプトニック崩壊は、小林・益川行列要素|Vcb|、|Vub|の決定を与え、また、超対称性が予言する超対称性粒子や大統一理論に自然に現れる新粒子、即ち、レプトクォークに感度がある。これまで、|Vcb|の決定に用いられるB→D*lν崩壊と|Vub|の決定に用いられるB→πlν崩壊の形状因子を計算するシミューレションをほぼ完了した。B→D*lν崩壊に関しては、現実世界への外挿を完了し、結果を論文にまとめている。B→πlν崩壊に関しては、クォーク質量についての外挿、運動量遷移についての内挿を完了しており、格子間隔についての外挿を残すのみとなっている。前者については、我が国が主導するSuperKEKB/Belle II実験が今後５年間で到達する測定精度に見合う理論精度を達成しており、後者についても達成できる見込みである。研究成果を研究会で発表し、毎年、複数の招待講演も依頼されており、課題は概ね順調に進捗している。
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| Strategy for Future Research Activity |
本研究では、富岳を用いた高統計シミュレーションによって統計誤差を制御し、また、QCDの重要な対称性であるカイラル対称性を保ち理論的にクリーンな定式化を用いることによって系統誤差を制御する方針をとっている。これによって、これまで小林・益川行列要素も決定を用いられてきたB→D*lν、πlν崩壊の形状因子を目標精度で計算しつつある。今後は、この手法を小林・益川行列要素の決定を与える他のエクスクルーシブ崩壊やインクルーシブ崩壊に応用し、複数の崩壊の解析とその結果を比較検証することにより、小林・益川行列要素の矛盾の原因に迫る。
そのためには、実験研究者や現象論研究者との連携、協力も重要である。特に、|Vcb|の矛盾では、理論予言と実験測定を組み合わせた決定方法の系統誤差が十分に理解されていない可能性もある。そこで、理論、実験研究者が集まる研究会を開催し、じっくりと議論する場を提供する。
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