[論文レビュー] Measurement of the Branching Fractions B(B0→p$\overline{p}$p$\overline{p}$) and B(Bs0→p$\overline{p}$p$\overline{p}$)

Aaij, R., Abdelmotteleb, A. S. W.+1073 more|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、LHCbの陽子-陽子衝突データ9 fb⁻¹を用いて、最初にB⁰ → ppppおよびBₛ⁰ → ppppの崩壊を観測した。B⁰ → J/ψK*⁰およびBₛ⁰ → J/ψφ崩壊を正規化として用い、分岐率はそれぞれ(2.2 ± 0.4 ± 0.1 ± 0.1) × 10⁻⁸および(2.3 ± 1.0 ± 0.2 ± 0.1) × 10⁻⁸として測定され、有意水準は9.3σおよび4.0σであった。両崩壊に対して強く証拠が得られ、バリオン性B崩壊における非摂動的QCDダイナミクスが非自明である可能性を示唆している。

ABSTRACT

Searches for the rare hadronic decays $B^0 ightarrow p\bar{p}p\bar{p}$ and $B^0_{s} ightarrow p\bar{p}p\bar{p}$ are performed using proton-proton collision data recorded by the LHCb experiment and corresponding to an integrated luminosity of 9$ m{fb}^{-1}$. Significances of $9.3\,σ$ and $4.0\,σ$, including statistical and systematic uncertainties, are obtained for the $B^0 ightarrow p\bar{p}p\bar{p}$ and $B^0_{s} ightarrow p\bar{p}p\bar{p}$ signals, respectively. The branching fractions are measured relative to the topologically similar normalisation decays $B^0 ightarrow J/ψ( ightarrow p\bar{p}) K^{*0}( ightarrow K^+ π^-)$ and $B^0_{s} ightarrow J/ψ( ightarrow p\bar{p}) ϕ( ightarrow K^+ K^-)$. The branching fractions are measured to be $ \mathcal{B}(B^0 ightarrow p\bar{p}p\bar{p}) = ( 2.2 \pm 0.4 \pm 0.1 \pm 0.1 ) imes 10^{-8} $ and $ \mathcal{B}(B^0_{s} ightarrow p\bar{p}p\bar{p}) = ( 2.3 \pm 1.0 \pm 0.2 \pm 0.1 ) imes 10^{-8}$. In these measurements, the first uncertainty is statistical, the second is systematic and the third one is due to the external branching fraction of the normalisation channel.

研究の動機と目的

• これまで観測されていなかった、珍しいハドロン的崩壊B⁰ → ppppおよびBₛ⁰ → ppppの分岐率を測定すること。
• チェルモン・バリオン性B崩壊のダイナミクスを調査すること。これは、抑制されると予想されるが、閾値に近い増幅が現れる可能性がある。
• B⁰およびBₛ⁰の四ペイオン最終状態への分岐率を比較し、非摂動的QCD効果の違いを調べること。
• O(10⁻⁸)レベルでの分岐率測定を通じてバリオン性B崩壊の理論的モデルを検証すること。これは、二体バリオン性崩壊の感度に近い。
• p¯pのインバリアント質量スペクトルに、共鳴的構造や charmonium 状態の寄与があるかどうかを評価すること。

提案手法

• 中心質量エネルギーが7、8、13 TeVのLHCb実験がRun 1およびRun 2で収集した9 fb⁻¹のpp衝突データを用いた。
• 信号崩壊は、分岐率がよくわかっている類似したトポロジーの正規化崩壊、すなわちB⁰ → J/ψ(→pp)K*⁰(→K+π⁻)およびBₛ⁰ → J/ψ(→pp)φ(→K+K⁻)を用いて測定された。
• 分岐率は、観測された生成数と効率補正済みの受容率の比を用い、次の式で抽出された：B(signal) = B_vis(normalization) × (N(signal)/N(normalization)) × (ϵ(normalization)/ϵ(signal))。
• バイアスを低減するため、二段階のブレンド解析手順が適用された。まずRun 1データを、次にRun 2データをアンブレインドした。
• 系統的不確実性は、磁場極性、走行期間、運動量およびプリズマティックな速さのビン、トリガー種別ごとのサブサンプル比較を通じて評価された。
• シミュレーテッドイベントサンプルを用いて、信号、正規化、バックグラウンドの形状をモデル化した。検出器応答および再構成効率は、コントロールサンプルおよびデータ駆動型手法を用いて検証された。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 珍しい崩壊B⁰ → ppppの分岐率は何か？理論的期待値（チェルモン・バリオン性崩壊）と整合しているか？
• RQ2 Bₛ⁰ → pppp崩壊の分岐率は何か？CKM有利振幅による抑制を上回っているか？
• RQ3 B⁰ → pppp崩壊のp¯pインバリアント質量スペクトルに共鳴的構造の証拠はあるか？それとも非共鳴的・位相空間に類似したダイナミクスが支配的か？
• RQ4 B⁰およびBₛ⁰ → ppppの分岐率はどのように比較できるか？非摂動的QCD効果の役割に何を示唆するか？
• RQ5 charmnonium状態（例：J/ψ）はpppp最終状態にどの程度寄与しているか？支配的寄与であると除外できるか？

主な発見

• B⁰ → ppppの分岐率は(2.2 ± 0.4 ± 0.1 ± 0.1) × 10⁻⁸と測定され、有意水準9.3σであり、この崩壊の最初の観測を示した。
• Bₛ⁰ → ppppの分岐率は(2.3 ± 1.0 ± 0.2 ± 0.1) × 10⁻⁸と測定され、有意水準4.0σであり、この崩壊モードの最初の観測を示した。
• それぞれの正規化モードに対する分岐率比は、B⁰ → ppppで(1.24 ± 0.21 ± 0.04) × 10⁻²、Bₛ⁰ → ppppで(2.1 ± 0.9 ± 0.2) × 10⁻²であった。
• 2850 MeV/c²以上のp¯pインバリアント質量を除外するボイドを適用した後も、分岐率は(1.6 ± 0.4) × 10⁻⁸および(2.2 ± 1.2) × 10⁻⁸に一致し、有意水準は6.5σおよび3.6σであった。
• B⁰ → ppppのp¯pインバリアント質量スペクトルには顕著な共鳴的構造は観測されず、非共鳴的・位相空間に類似した崩壊振幅を支持する。
• 観測されたBₛ⁰ → ppppの分岐率は、樹形レベルのCKM抑制振幅による予想をはるかに上回っており、非自明なダイナミクスまたは閾値効果の可能性を示唆している。