[論文レビュー] Measurement of lepton universality parameters in $B^+ o K^+\ell^+\ell^-$ and $B^0 o K^{*0}\ell^+\ell^-$ decays

LHCb Collaboration, Aaij, R.+1062 more|arXiv (Cornell University)|Jan 1, 2022

Particle physics theoretical and experimental studies被引用数 14

ひとこと要約

本論文は、2011–2018年のLHCbデータ9 fb⁻¹を用いて、B⁺→K⁺ℓ⁺ℓ⁻およびB⁰→K*⁰ℓ⁺ℓ⁻崩壊におけるレプトン普遍性（LU）の初回同時測定を提示する。厳密な粒子識別および多次元選別を適用することで、信号純度を向上させ、統計的感度を向上させ、2つのq²区間におけるRKおよびRK*の値を、標準模型と整合的で、以前のLHCb測定を上回る結果を得た。

ABSTRACT

A simultaneous analysis of the $B^+ o K^+\ell^+\ell^-$ and $B^0 o K^{*0}\ell^+\ell^-$ decays is performed to test muon-electron universality in two ranges of the square of the dilepton invariant mass, $q^2$. The measurement uses a sample of beauty meson decays produced in proton-proton collisions collected with the LHCb detector between 2011 and 2018, corresponding to an integrated luminosity of $9$ $ ext{fb}^{-1}$. A sequence of multivariate selections and strict particle identification requirements produce a higher signal purity and a better statistical sensitivity per unit luminosity than previous LHCb lepton universality tests using the same decay modes. Residual backgrounds due to misidentified hadronic decays are studied using data and included in the fit model. Each of the four lepton universality measurements reported is either the first in the given $q^2$ interval or supersedes previous LHCb measurements. The results are compatible with the predictions of the Standard Model.

研究の動機と目的

• B⁺→K⁺ℓ⁺ℓ⁻およびB⁰→K*⁰ℓ⁺ℓ⁻モードの同時解析を通じて、より高い精度でミューオン-電子レプトン普遍性を、希少なb→sℓ⁺ℓ⁻崩壊においてテストすること。
• データから残留した誤識別されたバリオン背景を直接モデル化することで、信号純度を従来のLHCb研究を上回るレベルに向上させ、システムティック不確実性を低減すること。
• 最適化されたトリガー戦略と stricter 粒子識別を用いることで、単位光度あたりの統計的感度を向上させ、以前のLHCb LU測定を上回ること。
• 改善された背景モデル化に起因するシステムティックシフトを定量化するため、擬似実験を用いたクロスチェックを通じて、解析の堅牢性を検証すること。
• 2つのq²区間（低q²および中央q²）におけるRKおよびRK*の測定を、標準模型のゼロテストとして、最も高精度に提供すること。

提案手法

• √s = 7, 8, 13 TeVのpp衝突から得た9 fb⁻¹のデータを用い、B⁺およびB⁰崩壊のインバリアント質量分布に対する、同時でアンビンドされた拡張最大尤度フィットを実施する。
• 誤識別および部分的再構成された背景を抑制するため、多次元選別および厳密な粒子識別（PID）基準を適用する。
• 検出器補正係数を決定するため、共鳴状態B→K*J/ψ（J/ψ→ℓ⁺ℓ⁻）崩壊を標準化チャンネルとして用い、B⁺およびB⁰モード間の一貫性を確保する。
• データから残留誤識別背景（例：K→μ、π→μ）を直接推定し、フィットモデルに組み込むことで、システムティック不確実性の制御を向上させる。
• 制御サンプルを用いたシミュレーションのキャリブレーションおよびデータ駆動型手法による効率補正を用い、検出器効果の正確なモデル化を確保する。
• 改善されたPIDおよび背景モデル化に起因するシステムティックシフトを定量化するため、擬似実験を用いる。特に電子モード背景の影響を重点的に評価する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 B⁺→K⁺ℓ⁺ℓ⁻崩壊におけるレプトン普遍性比RKの値は、低q²（0.1–1.1 GeV²/c⁴）および中央q²（1.1–6.0 GeV²/c⁴）区間でそれぞれどのように測定されるか？
• RQ2 同じq²区間におけるRK*の測定値は、標準模型の予測および以前のLHCb結果と比較してどのように異なるか？
• RQ3 改善された粒子識別および背景モデル化は、従来のLHCb LU測定と比較して、どの程度システムティック不確実性を低減するか？
• RQ4 統計的およびシステムティック不確実性を組み合わせた範囲内で、測定されたRKおよびRK*の値は標準模型と整合的か？
• RQ5 B⁺およびB⁰崩壊の同時解析は、独立した測定と比較して相関を低減し、感度を向上させることができるか？

主な発見

• 低q²領域における測定されたRKは 0.994⁺⁰.⁰⁹⁰₋₀.⁰⁸²（統計） ⁺⁰.⁰²⁹₋₀.⁰²⁷（システムティック）であり、標準模型の予測値 0.9936 と整合的である。
• 中央q²領域におけるRKは 0.949⁺⁰.⁰⁴²₋₀.⁰⁴¹（統計） ⁺⁰.⁰²²₋₀.⁰²²（システムティック）であり、以前のLHCb結果と比較して標準模型の値に近づいている。
• 低q²領域におけるRK*は 0.927⁺⁰.⁰⁹³₋₀.⁰⁸⁷（統計） ⁺⁰.⁰³⁶₋₀.⁰³⁵（システムティック）であり、中央q²領域では 1.027⁺⁰.⁰⁷²₋₀.⁰⁶⁸（統計） ⁺⁰.⁰²⁷₋₀.⁰²⁶（システムティック）である。両者とも、それぞれの標準模型予測値 0.9832 および 0.9964 と整合的である。
• すべての4つの測定値が標準模型と整合するかをカイ二乗検定で評価した結果、p値は 0.812、有意水準は 0.2標準偏差であり、新しい物理の証拠はないことが示された。
• RKおよびRK*におけるシステムティックシフトの主な要因は、誤識別されたバリオン背景のより良い取り扱いおよびより厳しいPID基準の導入であり、以前の結果と比較してRKの総システムティックシフトは 0.064 であった。
• 本測定は、RK（中央q²）およびRK*（低q²および中央q²）において、以前のLHCb結果を上回り、RKの低q²領域における初回測定でもある。