[論文レビュー] $B^0_s ightarrow \mu^+\mu^-$ at the LHC

F. Archilli|arXiv (Cornell University)|Sep 10, 2014

Particle physics theoretical and experimental studies参考文献 10被引用数 3

ひとこと要約

本論文では、LHCbおよびCMS実験のRun Iデータを用いて、$B^0_s \to \mu^+\mu^-$および$B^0 \to \mu^+\mu^-$崩壊の統合的解析を提示する。$B^0_s \to \mu^+\mu^-$崩壊は6.2\sigmaの有意水準で初めて観測され、測定された分岐率は$(2.8^{+0.7}_{-0.6}) \times 10^{-9}$であり、1.2\sigma以内で標準模型（SM）と整合的である。

ABSTRACT

Rare leptonic decays of $B_{(s)}^0$ mesons are sensitive probes of New Physics effects. A combination of the CMS and LHCb analyses on the search of the rare decays $B_{s}^0 \ ightarrow \\mu^+\\mu^-$ and $B^0 \ ightarrow \\mu^+\\mu^-$ is presented. The branching fractions of $B_{s}^0 \ ightarrow \\mu^+\\mu^-$ and $B^0 \ ightarrow \\mu^+\\mu^-$ are measured to be $\\mathcal{B}(B_{s}^0 \ ightarrow \\mu^+\\mu^-) = (2.8 \\,^{+0.7}_{-0.6}) \ imes 10^{-9}$ and $\\mathcal{B}(B^0 \ ightarrow \\mu^+\\mu^-) = (3.9 \\,^{+1.6}_{-1.4}) \ imes 10^{-10}$ respectively. A statistical significances of $6.2\\,\\sigma$ is evaluated for $B_{s}^0 \ ightarrow \\mu^+\\mu^-$ from the Wilks' theorem while a significance of $3.0\\, \\sigma$ is measured for $B^0 \ ightarrow \\mu^+\\mu^-$ from the Feldman-Cousins procedure.

研究の動機と目的

• 稀な$B^0_s \to \mu^+\mu^-$および$B^0 \to \mu^+\mu^-$崩壊に関するLHCbおよびCMS実験結果を統合し、統計的有意水準および精度を向上させること。
• 測定された分岐率が標準模型（SM）の予測とどの程度整合するかを評価し、特にニューエイジス（New Physics）モデルの文脈で検討すること。
• 両実験からの入力パラメータ間の相関を適切に扱う、同時でアンビンディッド拡張最大尤度フィットを実行すること。
• Wilksの定理を用いて$B^0_s \to \mu^+\mu^-$信号の統計的有意水準を評価し、Feldman-Cousins手続きを用いて$B^0 \to \mu^+\mu^-$信号の有意水準を評価すること（低有意水準のケースに対応）。
• 分岐率比$\mathcal{R} = \mathcal{B}(B^0 \to \mu^+\mu^-)/\mathcal{B}(B^0_s \to \mu^+\mu^-)$を測定し、SMの予測と比較することでニューエイジスの有無を検証すること。

提案手法

• LHCbおよびCMSの両データセットからの二重ミューオン質量スペクトルに対して、同時でアンビンディッド拡張最大尤度フィットを実行する。
• 信号成分として$B^0_s \to \mu^+\mu^-$および$B^0 \to \mu^+\mu^-$、および組み合わせ的背景、半レプトン的背景、ピーク型背景の寄与を含む。
• 運動量および幾何的変数を用いてトレーニングされた多変量分類器（BDT）を、TMVAフレームワークを用いて信号と背景を分離するために使用する。
• $J/\psi \to \mu^+\mu^-$および$B^0_s \to \phi \to K^+K^-$などの共鳴状態を用いて二重ミューオン質量をキャリブレーションし、$\Lambda^0_b \to p\mu^-\bar{\nu}$崩壊における寿命バイアス補正を追加で施す。
• 信号生成率を、$B^+ \to J/\psi K^+$および$B^0 \to K^+\pi^-$崩壊を基準とし、LHCbが測定したbハドロンフラグメンテーション率を用いて正規化する。
• 統計的有意水準は、$B^0_s \to \mu^+\mu^-$に対してWilksの定理、$B^0 \to \mu^+\mu^-$に対してFeldman-Cousins手続きを用いて評価し、低有意水準のケースに対応する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 $B^0_s \to \mu^+\mu^-$崩壊が、発見を宣言するに十分な有意水準で観測されたか？
• RQ2 測定された$B^0_s \to \mu^+\mu^-$および$B^0 \to \mu^+\mu^-$の分岐率は、標準模型（SM）の予測とどの程度一致するか？
• RQ3 理論的不確実性を含めた場合、測定された$B^0_s \to \mu^+\mu^-$および$B^0 \to \mu^+\mu^-$の分岐率がSMとどの程度整合するか？
• RQ4 分岐率比$\mathcal{R} = \mathcal{B}(B^0 \to \mu^+\mu^-)/\mathcal{B}(B^0_s \to \mu^+\mu^-)$は、SMの予測と整合的か？
• RQ5 $B^0 \to \mu^+\mu^-$信号の統計的有意水準は何か？また、背景のみの仮説と比較するとどうなるか？

主な発見

• $B^0_s \to \mu^+\mu^-$崩壊は、Wilksの定理を用いて6.2\sigmaの統計的有意水準で、初めて観測された。
• 測定された分岐率は$\mathcal{B}(B^0_s \to \mu^+\mu^-) = (2.8^{+0.7}_{-0.6}) \times 10^{-9}$であり、SMの予測値$3.66 \times 10^{-9}$と1.2\sigma以内で整合的である。
• $B^0 \to \mu^+\mu^-$に対して3.0\sigmaの過剰が観測され、測定された分岐率は$(3.9^{+1.6}_{-1.4}) \times 10^{-10}$であり、2.2\sigma以内でSMと整合的である。
• 分岐率比$\mathcal{R} = 0.14^{+0.08}_{-0.06}$は、SMの予測値$0.0295^{+0.0028}_{-0.0025}$と2.3\sigma以内で整合的である。
• 理論的不確実性を含めた場合、$\mathcal{B}(B^0_s \to \mu^+\mu^-)$とSMとの整合性は1.2\sigma、$\mathcal{B}(B^0 \to \mu^+\mu^-)$は2.2\sigmaである。
• $\mathcal{R}$の尤度プロファイルは、SMの値を95%信頼区間が含んでおり、SMからの著しい逸脱は観測されない。