[論文レビュー] Latest results on rare decays from LHCb

Christoph Michael Langenbruch|arXiv (Cornell University)|May 15, 2015

Particle physics theoretical and experimental studies参考文献 45被引用数 11

ひとこと要約

本論文は、LHCb実験による、希少なB中間子崩壊に関する最新の結果を提示しており、全Run Iデータサンプルを用いた$B^0 \to K^{*0}\mu^+\mu^-$の角度分布解析に焦点を当てている。$q^2$の2つの領域において$P_5'$観測量に$2.9\sigma$のずれが確認された一方で、他の観測量は標準模型と整合的であり、$R_K$および$B_s^0 \to \phi\mu^+\mu^-$の分岐率に矛盾が生じており、これは標準模型を超える新しい物理現象の可能性を示唆している。

ABSTRACT

Rare flavour changing neutral current decays are sensitive indirect probes for new effects beyond the Standard Model (SM). In the SM, these decays are forbidden at tree level and are therefore loop-suppressed. In SM extensions, new, heavy particles can significantly contribute and affect both their branching fractions as well as their angular distributions. The rare decay $B^0 o K^{*0}( o K^+π^-)μ^+μ^-$ is of particular interest, since it gives access to many angular observables, allowing to model-independently test the operator structure of the decay. A previous analysis of the angular distributions of the final state particles showed interesting tensions with SM predictions using the data sample taken by the LHCb detector during 2011. These proceedings will summarize latest results on rare decays from the LHCb experiment with emphasis on the angular analysis of the decay $B^0 o K^{*0}μ^+μ^-$, using the full Run I data sample of the LHCb experiment.

研究の動機と目的

• 高精度な角度分布解析を用いて、$B^0 \to K^{*0}\mu^+\mu^-$の稀な$b \to s\mu^+\mu^-$崩壊において標準模型（SM）を検証すること。
• 崩壊のオペレーター構造に敏感な、モデルに依存しない角度観測量の測定により、新しい物理を探る。
• 全Run Iデータセット（3 fb$^{-1}$）を用いて、初期のデータで観測されたレプトン普遍性および分岐率の矛盾を解消すること。
• アンビンド最大尤度推定や、ハドロン的不確実性の低減を含む洗練された選別およびフィッティング手法により、新しい物理の感度を向上させること。

提案手法

• 全Run I LHCbデータセット（3 fb$^{-1}$）に対してアンビンド最大尤度フィットを実施し、$K^+\pi^-\mu^+\mu^-$のインヴァリエント質量、$K^+\pi^-$質量、および3つの崩壊角度（$\cos\theta_K$、$\cos\theta_l$、$\phi$）を入力とした。
• 角度分布は、$F_L$、$A_{\text{FB}}$、および$S_i$観測量を含む、$B^0 \to K^{*0}\mu^+\mu^-$の完全な振幅モデルで記述され、$P_5' = S_5 / \sqrt{F_L(1-F_L)}$はフォーム因子に依存しない主要なプローブとして用いられた。
• 信号候補は、多変量分類器と厳密なバーチャル背景抑制を用いて選別され、校正には$B^0 \to J/\psi K^{*0}$のような制御崩壊が用いられた。
• 低$q^2$領域における$B^0 \to K^{*0}e^+e^-$の角度解析は、$A_T^{(2)}$および$A_T^{\text{Im}}$を介して光子の偏光を調べるのを目的とし、右回りのカレントに敏感である。
• 標準模型との整合性を評価し、$P_5'$、$R_K$、$B_s^0 \to \phi\mu^+\mu^-$における矛盾の有意水準を評価するために、グローバルフィットを実施した。
• すべての8つの角度観測量の共分散行列が報告され、理論的予測との精密な比較が可能になった。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 $B^0 \to K^{*0}\mu^+\mu^-$における角度観測量$P_5'$は、$q^2$範囲4–8 GeV$^2$/c$^4$において、標準模型の予測からずれているか？
• RQ2 測定された$R_K$比はレプトン普遍性と整合的であり、標準模型と矛盾しているか？
• RQ3 $B_s^0 \to \phi\mu^+\mu^-$の分岐率は、1–6 GeV$^2$/c$^4$の範囲で最新の理論的予測と一致するか？
• RQ4 $B^0 \to K^{*0}e^+e^-$における角度観測量は、特に光子偏光に敏感な$A_T^{(2)}$および$A_T^{\text{Im}}$に関して、標準模型の予測と整合的か？
• RQ5 1つの新しい物理モデルが、$P_5'$、$R_K$、$B_s^0 \to \phi\mu^+\mu^-$における同時の矛盾を説明できるか？

主な発見

• $B^0 \to K^{*0}\mu^+\mu^-$における$P_5'$観測量は、$q^2$領域4–6 GeV$^2$/c$^4$および6–8 GeV$^2$/c$^4$で、標準模型の予測から$2.9\sigma$のずれを示した。
• $R_K$比（$B^0 \to K^{*0}\mu^+\mu^-$と$B^0 \to K^{*0}e^+e^-$におけるレプトン普遍性の測定）は、標準模型から$2.6\sigma$の矛盾を示した。
• $B_s^0 \to \phi\mu^+\mu^-$の分岐率は、$1 < q^2 < 6$ GeV$^2$/c$^4$の範囲で、最新の理論的予測から$3.1\sigma$低い値であった。
• $B^0 \to K^{*0}e^+e^-$における角度観測量—$F_L = 0.16 \pm 0.06 \pm 0.03$、$A_T^{(2)} = -0.23 \pm 0.23 \pm 0.05$、$A_T^{\text{Re}} = 0.10 \pm 0.18 \pm 0.05$、$A_T^{\text{Im}} = 0.14 \pm 0.22 \pm 0.05$—は、すべて標準模型の予測と整合的であった。
• 更新された$B^0 \to K^{*0}\mu^+\mu^-$の角度観測量を含むグローバルフィットでは、標準模型よりも新しい物理の解を$3.7\sigma$の有意水準で支持した。