[論文レビュー] First observation and branching fraction measurement of the $ {\Lambda}_b^0 o {D}_s^{-}p $ decay

LHCb collaboration, Aaij, R.+1063 more|arXiv (Cornell University)|Jan 1, 2022

Particle physics theoretical and experimental studies被引用数 1

ひとこと要約

本論文は、LHCb実験が収集した $√{s} = 13$ TeV の陽子-陽子衝突データ 6 fb$^{-1}$ を用いて、$\Lambda_b^0 \to D_s^- p$ 衰退の初観測を報告する。測定された分岐比は $(12.6 \pm 0.5 \pm 0.3 \pm 1.2) \times 10^{-6}$ であり、バリオン性 B-ボソンの崩壊における因子化の検証および $|V_{ub}|$ の制約強化に重要な情報を提供する。

ABSTRACT

The first observation of the $Λ_b^0 o D_s^- p$ decay is presented using proton-proton collision data collected by the LHCb experiment at a centre-of-mass energy of ${\sqrt{s}=13 \, extrm{TeV}}$, corresponding to a total integrated luminosity of $6\, extrm{fb}^{-1}$. Using the $Λ_b^0 oΛ_c^+π^-$ decay as the normalisation mode, the branching fraction of the $Λ_b^0 o D_s^- p$ decay is measured to be ${\mathcal{B}(Λ_b^0 o D_s^- p)=(12.6 \pm 0.5 \pm 0.3 \pm 1.2 ) imes 10^{-6}}$, where the first uncertainty is statistical, the second systematic and the third due to uncertainties in the branching fractions of the $Λ_b^0 oΛ_c^+π^-$, $D_s^- o K^-K^+π^-$ and $Λ_c^+ o p K^- π^+$ decays.

研究の動機と目的

• $b \to u$ 遷移を経るレアなハドロン的崩壊 $\Lambda_b^0 \to D_s^- p$ を観測し、$|V_{ub}|$ に敏感であることを確認すること。
• 高い精度でこの崩壊の分岐比を測定し、重いバリオンの崩壊における因子化仮説を検証すること。
• 半レプトン的崩壊や他のハドロン的崩壊と比較することで、$|V_{ub}|$ を抽出する新しいチャネルを提供すること。
• $D_s$ メソンが陽子と比べて重いため、$\Lambda_b^0 \to D_s^- p $ における非因子化最終状態相互作用の課題に対処すること。

提案手法

• 信号は、$\Lambda_b^0 \to \Lambda_c^+ \pi^-$ による段階的崩壊を介して再構築され、$\Lambda_c^+ \to p K^- \pi^+$ および $D_s^- \to K^- K^+ \pi^-$ を含む。
• 分岐比は、正規化モード（$\Lambda_b^0 \to \Lambda_c^+ \pi^-$）を用い、再構築効率で補正された収量比から抽出される。
• 信号およびバックグラウンド収量を抽出するために、$\Lambda_b^0$ のインヴァリアント質量分布に対して非バッチド拡張最大尤度フィットが実施される。
• バックグラウンドは、シミュレーテッドサンプルおよびキャリブレーションデータを用いてモデル化され、組み合わせ的、部分的再構築、誤識別成分を含む。
• 効率は、モンテカルロシミュレーションイベントおよびデータ駆動型キャリブレーションサンプルを用いて決定される。
• 系統的不確実性は、中間崩壊の分岐比（$D_s^- \to K^- K^+ \pi^-$、$\Lambda_c^+ \to p K^- \pi^+$）および検出器効果から評価される。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 分岐比 $\Lambda_b^0 \to D_s^- p$ は何か？ また、理論的予想と整合性があるか？
• RQ2 因子化仮定を仮定しない状況下で、この崩壊が $|V_{ub}|$ 測定の有効なチャネルであるか？
• RQ3 このバリオン的崩壊における非因子化強い相互作用効果が崩壊振幅に及ぼす影響はどの程度か？
• RQ4 重い $D_s$ メソンを伴う $\Lambda_b^0 \to D_s^- p $ において、因子化仮説はどの程度成立するか？
• RQ5 この崩壊は、異なる崩壊モード間での $|V_{ub}|$ 測定の普遍性を検証するのに利用可能か？

主な発見

• $\Lambda_b^0 \to D_s^- p$ 崩壊は、5標準偏差を超える有意水準で初めて観測された。
• 測定された分岐比は $ (12.6 \pm 0.5 \pm 0.3 \pm 1.2) \times 10^{-6} $ であり、統計的不確実性、系統的不確実性、外部分岐比の不確実性を含む。
• 外部分岐比による不確実性（$\sim 1.2 \times 10^{-6}$）が最大の系統的寄与要因である。
• 信号収量は、$\Lambda_b^0$ のインヴァリアント質量分布に対する非バッチド拡張最大尤度フィットから抽出された。
• $B_s^0 \to D_s^- \pi^+$、$B_s^0 \to D_s^- \rho^+$、$B_s^0 \to D_s^- K^+$ からのバックグラウンドはモデル化され、信号の1%未満の寄与であることが判明した。
• 本分析は、LHCb実験で高精度で稀なバリオン的崩壊を測定することが可能であることを示している。