[論文レビュー] Improved Measurement of CP Violation Parameters in Bs0→J/ψK+K- Decays in the Vicinity of the ϕ(1020) Resonance

LHCb collaboration, R. Aaij+1101 more|arXiv (Cornell University)|Jan 1, 2023

Particle physics theoretical and experimental studies参考文献 50被引用数 2

ひとこと要約

本論文は、√s = 13 TeVでLHC Run 2の6 fb⁻¹のデータを用いて、B₀ˢ → J/ψK⁺K⁻崩壊におけるCP対称性の破れパラメータの、これまでで最も精度の高い単一測定を提示している。ϕₛ = −0.039 ± 0.022 ± 0.006 rad、∆Γₛ = 0.0845 ± 0.0044 ± 0.0024 ps⁻¹、およびΓₛ − Γₔ = −0.0056⁺⁰.⁰⁰¹³₋⁰.⁰⁰¹⁵ ± 0.0014 ps⁻¹が報告され、いずれも標準模型の予測と整合しており、K⁺K⁻系に偏光依存性は認められない。

ABSTRACT

The decay-time-dependent $CP$ asymmetry in $B^0_s o J/ψ( o μ^{+}μ^{-}) K^{+}K^{-}$ decays is measured using proton-proton collision data, corresponding to an integrated luminosity of 6 $fb^{-1}$, collected with the LHCb detector at a center-of-mass energy of 13 TeV. Using a sample of approximately 349 000 $B^{0}_{s}$ signal decays with an invariant $K^{+}K^{-}$ mass in the vicinity of the $ϕ(1020)$ resonance, the $CP$-violating phase $ϕ_s$ is measured, along with the difference in decay widths of the light and heavy mass eigenstates of the $B^0_s$-$\bar{B}^0_s$ system, $ΔΓ_s$, and the difference of the average $B^0_s$ and $B^0$ meson decay widths, $Γ_s-Γ_d$. The values obtained are $ϕ_s = \ -0.039 \pm 0.022 \pm 0.006$ rad, $ΔΓ_s = 0.0845 \pm 0.0044 \pm 0.0024 $ ps$^{-1}$ and $Γ_s-Γ_d = -0.0056 ^{+ 0.0013}_{-0.0015} \pm 0.0014$ ps$^{-1}$, where the first uncertainty is statistical and the second systematic. These are the most precise single measurements to date and are consistent with expectations based on the Standard Model and with the previous LHCb analyses of this decay. These results are combined with previous independent LHCb measurements. The phase $ϕ_s$ is also measured independently for each polarization state of the $K^{+}K^{-}$ system and shows no evidence for polarization dependence.

研究の動機と目的

• Run 2の全データセットを用いて、B₀ˢ → J/ψK⁺K⁻崩壊におけるCP対称性の破れパラメータの測定精度を向上させること。
• B₀ˢ–B̄₀ˢ混合における新しい物理の感度が非常に高いCP対称性の破れ位相ϕₛを通じて、標準模型を超える物理を探索すること。
• 改良されたキャリブレーション、PID、および崩壊時間分解能モデルを用いて、∆ΓₛおよびΓₛ − Γₔの測定精度を向上させること。
• K⁺K⁻系におけるϕₛの偏光依存性の有無をテストすること。これは新しい物理や系統的効果を示唆する可能性がある。
• これらの結果を以前のLHCbの測定結果と統合し、ϕₛの世界的な平均値を精緻化すること。

提案手法

• √s = 13 TeVでLHCb検出器が収集した6 fb⁻¹の陽子-陽子衝突データを用いる。
• 2015年から2018年までのデータに対して別々にトレーニングされた勾配ブースティング決定木（BDT）分類器を適用し、信号対背景比を最適化する。
• m(J/ψK⁺K⁻)分布への拡張最大尤度フィットを用いて、sPlot法により信号重みを割り当てる。
• 信号形状を、質量不確かさσₘに依存する2次多項式で表される幅を持つ二重側クリスタルボール関数でモデル化する。
• 各年ごとのデータ取得条件および検出器状態に合わせた、専用のモンテカルロシミュレーションを用いて、検出器効果を補正する。
• ピーク背景（例：Λ₀ᵇ → J/ψpK⁻など）を、負の重みを持つシミュレートイベントの統計的インジェクションにより差し引く。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 Run 2データを用いた場合、B₀ˢ → J/ψK⁺K⁻崩壊におけるCP対称性の破れ位相ϕₛの最も精密な測定値は何か？
• RQ2 測定された∆ΓₛおよびΓₛ − Γₔの値は、標準模型の予測および以前の測定値とどのように一致するか？
• RQ3 K⁺K⁻系の異なる偏光状態において、ϕₛの偏光依存性の証拠は見つかるか？
• RQ4 PIDキャリブレーション、フレーバータグギング、および崩壊時間分解能の向上が、最終的なパラメータの精度にどのように寄与するか？
• RQ5 この更新されたLHCbの結果を組み合わせた後、ϕₛの世界的な平均値は何か？

主な発見

• CP対称性の破れ位相ϕₛは、−0.039 ± 0.022（統計）± 0.006（系統）radと測定され、これまでで最も精度の高い単一測定結果となった。
• 崩壊幅の差∆Γₛは、0.0845 ± 0.0044（統計）± 0.0024（系統）ps⁻¹と決定された。
• 平均崩壊幅の差Γₛ − Γₔは、−0.0056⁺⁰.⁰⁰¹³₋⁰.⁰⁰¹⁵（統計）± 0.0014（系統）ps⁻¹と測定された。
• 結果は標準模型の予測と整合しており、同様の崩壊モードについての以前のLHCbの解析結果とも一致している。
• K⁺K⁻系の偏光状態にわたるϕₛの偏光依存性の証拠は得られなかった。
• 更新された結果を以前のLHCbの測定結果と統合したところ、ϕₛの世界的な平均値が標準模型の予測値−2βₛ ≈ −0.0368 radと整合的であることが強化された。