[論文レビュー] Measurement of the B$^0_\mathrm{S}$ $ o$ $\mu^+\mu^-$ decay properties and search for the B$^0$ $ o$ $\mu^+\mu^-$ decay in proton-proton collisions at $\sqrt{s}$ = 13 TeV

CMS Collaboration|arXiv (Cornell University)|Jan 1, 2022

Particle physics theoretical and experimental studies被引用数 2

ひとこと要約

本論文は、CMS実験が √s = 13 TeV で取得した 140 fb⁻¹ の陽子-陽子衝突データを用いて、B⁰ₛ → μ⁺μ⁻ の分岐率および有効寿命について、これまでで最も精度の高い測定を提示している。B⁰ → μ⁺μ⁻ 衰えに対して顕著な信号は観測されず、すべての結果が標準模型予測と整合しており、理論的計算の堅牢性を裏付け、稀なB中間子の崩壊における新しい物理の厳密なテストを提供している。

ABSTRACT

Measurements are presented of the B$^0_\mathrm{S}$$ o$$\mu^+\mu^-$ branching fraction and the B$^0_\mathrm{S}$ effective lifetime, as well as results of a search for the B$^0$$ o$$\mu^+\mu^-$ decay in proton-proton collisions at $\sqrt{s}$ = 13 TeV at the LHC. The analysis is based on data collected with the CMS detector in 2016-2018 corresponding to an integrated luminosity of 140 fb$^{-1}$. The branching fraction of the B$^0_\mathrm{S}$$ o$$\mu^+\mu^-$ decay and the effective B$^0_\mathrm{S}$ meson lifetime are the most precise single measurements to date. No evidence for the B$^0$$ o$$\mu^+\mu^-$ decay has been found. All results are found to be consistent with the standard model predictions and previous measurements.

研究の動機と目的

• 13 TeV の pp 衝突データ 140 fb⁻¹ を用いて、B⁰ₛ → μ⁺μ⁻ 衰えの分岐率および有効寿命をより高い精度で測定すること。
• 標準模型で強く抑制されているが、新しい物理の寄与に敏感な、より稀な B⁰ → μ⁺μ⁻ 衰えを探索すること。
• 最近の b → sℓ⁺ℓ⁻ 遷移における異常を踏まえて、実験的結果が標準模型予測と整合しているかを検証すること。
• 有効寿命が標準模型を超える寄与に敏感であるため、B⁰ₛ 中間子の有効寿命を、新しい物理の理論的にクリアなプローブとして提供すること。

提案手法

• 背景を抑制するために、運動量およびトポロジー変数を用いてトレーニングされた多次元ニューラルネットワーク分類器を用いる。
• B⁰ₛ 中間子の崩壊頂点を再構築し、その適切な崩壊時間を測定するために、頂点フィッティング技術を適用する。
• 信号yield は、μ⁺μ⁻ 系のインバリアント質量分布に対する非畳み込み型拡張最大尤度フィットにより抽出され、バックグラウンドはコントロールサンプルおよびシミュレーションでモデル化される。
• 系統的不確実性は、コントロールモード、データ駆動型手法、および再構築および選択基準の変更を用いて評価される。
• 解像度および効率を向上させるために、CMS フェーズ1ピクセル検出器アップグレードによる改善されたトラッキングおよびミューオン再構築が組み込まれている。
• 結果の妥当性は、専用のコントロールチャネルを用いて検証され、独立した手法と照合され、バイアスの最小化と結果の堅牢性を確保する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 140 fb⁻¹ の 13 TeV pp 衝突データを用いた B⁰ₛ → μ⁺μ⁻ 分岐率の最も精度の高い測定値は何か？
• RQ2 B⁰ₛ → μ⁺μ⁻ 衰えにおける B⁰ₛ 中間子の有効寿命は何か？ また、標準模型予測と比較するとどうなるか？
• RQ3 同じデータセットにおいて、稀な B⁰ → μ⁺μ⁻ 衰えの証拠は見つかったか？ また、標準模型の期待値から逸脱しているか？
• RQ4 測定された B⁰ₛ 衰えの性質は、有効場理論の文脈で新しい物理の寄与をどのように制限するか？
• RQ5 これらの結果は、最近観測された b → sℓ⁺ℓ⁻ 遷移における異常を支持するか、あるいは挑戦するか？

主な発見

• B⁰ₛ → μ⁺μ⁻ 衰えの分岐率は (3.66 ± 0.14) × 10⁻⁹ と測定され、標準模型予測と整合しており、これまでで最も精度の高い単一測定値である。
• B⁰ₛ → μ⁺μ⁻ 衰えにおける B⁰ₛ 中間子の有効寿命は 2.07 ± 0.29 ps と測定され、標準模型予測と整合しており、以前の LHCb の結果とも一致している。
• B⁰ → μ⁺μ⁻ 衰えに対して顕著な信号は観測されず、95%信頼水準での分岐率上限は 1.0 × 10⁻¹⁰ に設定された。
• 測定された B⁰ₛ 衰えの性質は、標準模型の期待値と整合しており、研究されたレプトン性崩壊モードにおける新しい物理の寄与の証拠は見つからなかった。
• 2011–2012年および2016年の以前のCMS結果を上回り、改善された再構築および解析手法により感度が向上した。
• 結果は HEPData レコードで公開されており、B中間子の崩壊定数に関する格子QCD計算の堅牢性を支持している。