[論文レビュー] Extracting gamma and Penguin Parameters from B^0_s -> J/psi K_S

K. De Bruyn, Robert Fleischer+1 more|arXiv (Cornell University)|Dec 3, 2010

Particle physics theoretical and experimental studies参考文献 5被引用数 5

ひとこと要約

本稿では、LHCbにおけるB⁰_d → J/ψKₛ測定におけるCKM角γの抽出およびハドロン的ペンギン効果の制御のために、B⁰ₛ → J/ψKₛ崩壊を用いる手法を提案する。Uスピン対称性を活用することで、ペンギンパラメータ（a, θ）の正確な決定が可能となり、B⁰_d混合位相φ_dの不確かさが低減される。100 fb⁻¹のデータで、γの不確かさは3.2°、∆φ_dの精度は0.19°に達し、B⁰_d–B̄⁰_d混合における新物理の検証に不可欠となる。

ABSTRACT

The B^0_s -> J/psi K_S decay has recently been observed by the CDF collaboration and will be of interest for the LHCb experiment. It is the U-spin partner of the golden B^0_d -> J/psi K_S channel and offers a determination of the angle gamma of the unitarity triangle. Moreover, it allows us to control the hadronic penguin effects in the extraction of the B^0_d-\bar B^0_d mixing phase phi_d through a measurement of CP violation in B^0_d^0 -> J/psi K_S. We discuss the picture emerging for these measurements from an LHCb feasibility study. While LHCb will be able to extract gamma from the CP violation in B^0_d -> J/psi K_S, the main application of this channel will be the determination of hadronic penguin parameters. Such an analysis is actually needed in order to fully exploit LHCb's impressive experimental precision for the determination of phi_d from B^0_d -> J/psi K_S. We give also the target regions for the effective lifetime of B^0_s -> J/psi K_S and its CP-violating observables for improved measurements by CDF and the 2011 data taking at LHCb.

研究の動機と目的

• B⁰ₛ → J/ψKₛ崩壊におけるCP違反を用いてCKM角γを決定すること。
• B⁰_d → J/ψKₛからのφ_d抽出におけるハドロン的ペンギン寄与を制御するため、B⁰ₛ → J/ψKₛでペンギンパラメータを測定すること。
• B⁰ₛ → J/ψKₛの観測量を用いてUスピン破れ効果を考慮することで、LHCbにおけるφ_d測定の精度を向上させること。
• CDFおよびLHCb 2011年データのための、B⁰ₛ → J/ψKₛにおける有効寿命およびCP不変量の目標領域を設定すること。

提案手法

• 奇妙クォークとダウンクォークを入れ替えることで、B⁰_d → J/ψKₛおよびB⁰ₛ → J/ψKₛの崩壊振幅をUスピン対称性で関連付ける。
• CP観測量C、S、Hからγ、a、θを抽出するため、振幅関係A(B⁰ₛ → J/ψKₛ) ∝ (1 − a e^{iθ} e^{iγ})を用いる。
• √s = 14 TeVでのLHCbにおける6 fb⁻¹および100 fb⁻¹のデータセットを用いた妥当性調査により、統計誤差を推定する。
• B⁰ₛ → J/ψKₛにおける測定済みのCP不変量SおよびCを用い、ペンギンパラメータを制約し、B⁰_d → J/ψKₛにおけるφ_dを補正する。
• ∆φ_d補正をペンギンパラメータ（a, θ）と相関づけ、妥当な値の範囲でロバストネスを評価する。
• ∆φ_dの不確かさと予想されるφ_dの精度を比較し、ペンギン効果の制御に必要な水準を決定する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 LHCbにおいて、B⁰ₛ → J/ψKₛを用いてCKM角γを高い精度で抽出できるか？
• RQ2 B⁰ₛ → J/ψKₛにおけるペンギンパラメータ（a, θ）はどの程度の精度で決定可能か、これによりB⁰_d → J/ψKₛにおけるハドロン的ペンギン効果を制御できるか？
• RQ3 LHCbにおける∆φ_dの精度はどの程度達成可能か、また予想されるφ_d誤差と一致するか？
• RQ4 γ、a、θの不確かさが、∆φ_dおよびφ_dの決定にどのように影響するか？
• RQ5 初期LHCbデータ（1 fb⁻¹）における、B⁰ₛ → J/ψKₛの有効寿命およびCP不変量の目標観測量は何か？

主な発見

• 100 fb⁻¹のデータで、B⁰ₛ → J/ψKₛからのγの統計的不確かさは3.2°に達し、CKMユニタリティトライアングル解析の精度が著しく向上する。
• 100 fb⁻¹のデータで、ハドロン的ペンギンシフト∆φ_dの不確かさは0.19°にまで低減され、B⁰_d → J/ψKₛにおけるペンギン効果の精密制御が可能になる。
• わずかなペンギン寄与（a = 0.1）でも、∆φ_d補正が約-0.5°に達するため、精密な制御の必要性が強調される。
• この手法により、予想される統計誤差（100 fb⁻¹で0.2–0.8°）と一致する精度が達成可能である。
• 初期LHCbデータ（1 fb⁻¹）では、B⁰ₛ → J/ψKₛにおけるCP不変量CおよびSの感度は∆C = ∆S = 0.34に達し、信号の観測に十分な感度を有する。
• B⁰ₛ → J/ψKₛの有効寿命は、τ_J/ψK_s / τ_Bs = 1.060 ± 0.020 (|ΔΓ_s^SM / Γ_s|) ± 0.010 (入力)と予測され、φ_sおよびΓ_sに感度を示す。