Improving Precision for Hadronic Observables in the Standard Model and Beyond

Abstract

Searching for new physics not described by the Standard Model (SM) is of great importance to enhance our understanding the universe. One possibility to discover new physics is to perform precision tests of the SM by comparing experimental measurements with theoretical predictions. Taking advantage of the vast set of experimental results, we first perform global fits to test and constrain a class of extensions to the SM referred to as Two-Higgs-Doublet models (2HDMs). In addition, we discuss a motivation for collider searches for the rare process Bs → e+e− which can be greatly enhanced in a 2HDM without conflicting with other data. Large uncertainties from non-perturbative hadronic observables limit the ability to constrain the parameter space of 2HDMs or other new physics scenarios. Next we focus at improving predictions for hadronic observables by non-perturbatively calculating matrix elements of four-quark operators for neutral meson mixing and heavy meson lifetimes using lattice quantum chromodynamics (QCD). In particular, we perform a pilot study establishing a non-perturbative renormalisation procedure via the gradient flow and its short-flow-time expansion allowing us to quote final results in the MS scheme. Considering for simplicity a neutral charm-strange (Ds) meson on the lattice, we determine the O1 operator for neutral meson mixing as well as the O1 and T1 operators describing heavy meson lifetimes. Our short-distance contribution to mixing for a neutral Ds meson is BMS s (3 GeV) = 0.787(5) where the quoted error accounts for statistical and perturbative truncation uncertainties only. This value is in good agreement with literature results for short-distance D0 mixing where only the spectator quark differs. In addition we pioneer the calculation of the four-quark operators O1 and T1 for heavy meson lifetimes in lattice QCD. Essential for this determination is that our gradient flow procedure suppresses the mixing with operators of lower mass dimension on the lattice. Although our lattice calculation does not include all diagrams and also the perturbative matching to the MS scheme is still incomplete, we observe that our values BMS 1 = 1.110(2) and ϵMS 1 = 0.119(1) have the same order of magnitude as corresponding determinations based on HQET sum rules.

Die Suche nach neuer Physik, die nicht durch das Standardmodell (SM) beschrieben wird, ist von großer Bedeutung, um unser Verständnis des Universums zu verbessern. Eine Möglichkeit, neue Physik zu entdecken, besteht darin, Pr¨azisionstests des SM durchzuführen, bei denen experimentelle Messungen mit theoretischen Vorhersagen verglichen werden. Unter Ausnutzung der großen Menge an experimentellen Resultaten führen wir zunächst globale Fits durch, um eine Klasse von Erweiterungen des SM zu testen und einzuschränken, die als Two-Higgs-Doublet-Modelle (2HDMs) bezeichnet werden. Darüber hinaus diskutieren wir die Motivation für Kollidersuchen nach dem seltenen Prozess Bs → e+e−, der in einem 2HDM deutlich verstärkt sein kann, ohne Konflikte mit anderen Daten zu erzeugen. Große Unsicherheiten durch nicht-perturbative hadronische Observablen schränken die Möglichkeit ein, den Parameterraum von 2HDMs oder anderen Szenarien der neuen Physik einzugrenzen. Als nächstes konzentrieren wir uns auf die Verbesserung der Vorhersagen für hadronische Observablen, indem wir nicht-perturbative Matrixelemente von Vier-Quark-Operatoren für neutrale Mesonenmischung und Lebensdauern schwerer Mesonen mit Hilfe der Gitter-Quantenchromodynamik (QCD) berechnen. Insbesondere führen wir eine Pilotstudie durch, um ein nicht-perturbatives Renormierungsverfahren mittles Gradient-Flow und dessen Short-Flow-Time-Entwicklung zu etablieren und Endergebnisse im MS-Schema anzugeben. Zur Vereinfachung des Problems, betrachten wir ein auf dem Gitter neutrales Charm-Strange-Meson (Ds) und bestimmen den O1-Operator für neutrale Mesonenmischung, sowie die O1- und T1-Operatoren f¨ur die Lebensdauer schwerer Mesonen. Unser Nahdistanzbeitrag zur Mischung f¨ur ein neutrales Ds-Meson beträgt BMS s (3 GeV) = 0.787(5), wobei der angegebene Fehler nur statistische Unsicherheiten und perturbative Abbruchfehler berücksichtigt. Dieser Wert ist in guter Übereinstimmung mit Literaturwerten für Nahdistanz-D0-Mischung, bei der sich nur das “Zuschauer-Quark” unterscheidet. Desweiteren haben wir Pionierarbeit bei der Berechnung der Vier-Quark-Operatoren O1 und T1 für Lebensdauern schwerer Mesonen in der Gitter-QCD geleistet. Wesentlich für diese Bestimmung ist, dass unsere Gradient-Flow-Methode das Mischen mit Operatoren niedrigerer Massendimensionen auf dem Gitter unterdrückt. Obwohl unsere Gitterrechnung nicht alle Diagramme umfasst und auch die perturbative Konvertierung ins MS-Schema noch unvollständig ist, haben unsere Werte für BMS 1 = 1.110(2) und ϵMS 1 = 0.119(1) die gleiche Größenordnung, wie entsprechende Bestimmungen, die auf HQET-Summenregeln basieren.