[論文レビュー] Constraints on the $K^S_0 ightarrow \mu^+ \mu^-$ Branching Fraction

R. Aaij, Carlos Abellán Beteta+905 more|arXiv (Cornell University)|Jan 1, 2020

Particle physics theoretical and experimental studies参考文献 21被引用数 1

ひとこと要約

この論文は、2016–2018年の間にLHCb実験が収集した $√{s} = 13$ TeV の陽子-陽子衝突データ 5.6 fb$^{-1}$ を用いて、珍しい崩壊 $K^0_S \to \mu^+\mu^-$ の分岐比に対する新しい上限を提示している。分析では低運動量ミューオンのトリガ効率と再構成性能が向上し、90%信頼水準で $B(K^0_S \to \mu^+\mu^-) < 2.2 \times 10^{-10}$ の厳密な上限が得られた。これは従来の上限に比べ顕著な改善である。

ABSTRACT

A search for the decay K$^S_0$→$μ^+μ^-$ is performed using proton-proton collision data, corresponding to an integrated luminosity of 5.6 fb$^{-1}$ and collected with the LHCb experiment during 2016, 2017, and 2018 at a center-of-mass energy of 13 TeV. The observed signal yield is consistent with zero, yielding an upper limit of $B$(K$^S_0$→$μ^+μ^-$)&lt;2.2×10$^{-10}$ at 90% C.L.. The limit reduces to $B$(K$^S_0$→$μ^+μ^-$)&lt;2.1×10$^{-10}$ at 90% C.L. once combined with the result from data taken in 2011 and 2012.

研究の動機と目的

• 標準模型において極めて抑制されているフレーバー変換中性荷電現在の崩壊 $K^0_S \to \mu^+\mu^-$ を探索すること。
• CERNのLHCのRun 2における向上したトリガおよび再構成能力を活用して、この崩壊に対する感度を向上させること。
• 特に、標準模型を超える物理学を探索するために、以前の実験よりもきつい分岐比の上限を設定すること。
• 13 TeVにおける高い $K^0_S$ 生成断面積とLHCb検出器の前方幾何学的配置を活用して、信号検出を強化すること。

提案手法

• 分析には、2016–2018年の間、LHCb検出器が収集した $√{s} = 13$ TeV のpp衝突データ 5.6 fb$^{-1}$ を使用した。
• 低横運動量ミューオンを80 MeV/cまで効率的に選別できる新しいソフトウェアトリガ戦略が導入された。
• ミューオンチャンバ情報の再構成チェーンにおける早期統合により、低運動量ミューオンの再構成性能が向上し、計算負荷が低減され、効率が向上した。
• 背景抑制のための専用基準が導入され、信号純度はハードウェアトリガのカテゴリ、すなわち信号に依存しないトリガ（TIS）と信号にのみ依存するトリガ（XTOS）を用いて評価された。
• システムティック不確実性は制御サンプルとシミュレーションを用いて評価され、検出器応答と再構成バイアスに注意を払った。
• 最終的な上限は、TISおよびXTOSカテゴリの結果を統合し、統計的手法を用いて90%信頼水準での分岐比の上限を設定した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 現在の実験的上限は、珍しい $K^0_S \to \mu^+\mu^-$ 崩壊の分岐比に対してどの程度か？
• RQ2 LHCのRun 2における向上したトリガおよび再構成効率は、Run 1と比較して、この崩壊に対する感度をどのように向上させたか？
• RQ3 LHCb実験は、$K^0_S \to \mu^+\mu^-$ の分岐比が増大する予測をする新物理のシナリオをどの程度まで制限できるか？
• RQ4 標準模型における長距離および短距離寄与は、$K^0_S \to \mu^+\mu^-$ の期待される分岐比にどのように影響を与えるか？

主な発見

• 観測された $K^0_S \to \mu^+\mu^-$ の信号yieldはゼロと整合的であり、90%信頼水準で $B(K^0_S \to \mu^+\mu^-) < 2.2 \times 10^{-10}$ の上限が得られた。
• Run 1データ（2011–2012）と組み合わせた場合、上限は $B(K^0_S \to \mu^+\mu^-) < 2.1 \times 10^{-10}$ に改善された。
• 新規ソフトウェアトリガにより、$K^0_S \to \mu^+\mu^-$ のトリガ効率はRun 1と比較して約1桁向上した。
• 改善された低 $p_T$ ミューオン再構成により、横運動量の下限が1.8 GeV/cから80 MeV/cに低下し、信号に対する感度が顕著に向上した。
• 分析は、13 TeVにおける約0.6 bの高い $K^0_S$ 生成断面積とLHCb検出器の前方幾何学的配置の利点を享受した。
• この結果は、特に超対称性やレプトクォークのシナリオのような、フレーバー変換中性荷電現在過程が増大する予測をする新物理モデルに対して、きつい制約を提供する。