[論文レビュー] Search for a long-lived spin-0 mediator in $b o s$ transitions at the Belle II experiment

I. Adachi, K. Adamczyk+412 more|arXiv (Cornell University)|Jan 1, 2023

Particle physics theoretical and experimental studies被引用数 3

ひとこと要約

本論文は、Belle II実験において、Υ(4S)共鳴状態での189 fb⁻¹のe⁺e⁻衝突データを用いて、b → s クォーク遷移における長寿命スピン0媒介粒子（S）の探索を報告する。信号は観測されなかった。Sの質量が1.0から4.0 GeV/c²、寿命が0.001 cmから100 cmの範囲で、Br(B⁰ → K*⁰S) × Br(S → x⁺x⁻)およびBr(B⁺ → K⁺S) × Br(S → x⁺x⁻)の積に対するモデルに依存しない上限は10⁻⁷レベルに設定された。

ABSTRACT

Additional spin-0 particles appear in many extensions of the standard model. We search for long-lived spin-0 particles $S$ in $B$-meson decays mediated by a $b o s$ quark transition in $e^+e^-$ collisions at the $\Upsilon(4S)$ resonance at the Belle II experiment. Based on a sample corresponding to an integrated luminosity of $189 \mathrm{\,fb}^{-1}$, we observe no evidence for signal. We set model-independent upper limits on the product of branching fractions $\mathrm{Br}(B^0 o K^*(892)^0( o K^+\pi^-)S) imes \mathrm{Br}(S o x^+x^-)$ and $\mathrm{Br}(B^+ o K^+S) imes \mathrm{Br}(S o x^+x^-)$, where $x^+x^-$ indicates $e^+e^-, \mu^+\mu^-, \pi^+\pi^-$, or $K^+K^-$, as functions of $S$ mass and lifetime at the level of $10^{-7}$.

研究の動機と目的

• b → s クォーク遷移によって媒介される、珍しいB中間子崩壊における長寿命スピン0粒子（S）の探索を目的とする。
• ヒッグスポータルやaxion-like粒子を含む、軽量スカラーまたは擬スカラー媒介粒子を予言する標準模型の拡張を探査することを目的とする。
• さまざまな最終状態に対して、Br(B → K*⁰S) × Br(S → x⁺x⁻)およびBr(B⁺ → K⁺S) × Br(S → x⁺x⁻)の積に対するモデルに依存しない制約を設定することを目的とする。
• 寿命が100 cmまでの長寿命スカラー媒介粒子が標準模型の最終状態（e⁺e⁻、μ⁺μ⁻、π⁺π⁻、K⁺K⁻）に崩壊するパラメータ空間を探索することを目的とする。

提案手法

• Belle II実験がΥ(4S)共鳴状態で収集した189 fb⁻¹のe⁺e⁻衝突データを用いた。
• B⁰ → K*⁰(→K⁺π⁻)SおよびB⁺ → K⁺S崩壊からの長寿命スピン0粒子Sのモデルに依存しない探索を実施した。
• 主頂点からの測定可能な距離で崩壊する長寿命粒子を同定するために、バーテックス再構築およびずらしバーテックス検出技術を採用した。
• K*⁰およびS最終状態のインヴァリアント質量再構築に基づいて信号領域を定義し、Sはx⁺x⁻（e⁺e⁻、μ⁺μ⁻、π⁺π⁻、K⁺K⁻）に崩壊するとした。
• 上限計算には、複数のS質量および寿命のチャンクにわたる期待値と観測値を組み込んだ、プロファイル条件付き尤度比（CLs）法を用いた。
• 検出器応答およびバックグラウンドモデルのキャリブレーションには、制御サンプルおよびモンテカルロシミュレーションを用い、全位相空間にわたる感受性を確実にした。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 Belle II実験は、b → s 遷移を通じて、長寿命スピン0媒介粒子の探索に対してどの程度の感度を持つのか？
• RQ2 Sが標準模型最終状態（e⁺e⁻、μ⁺μ⁻、π⁺π⁻、K⁺K⁻）に崩壊する場合、B⁰ → K*⁰SおよびB⁺ → K⁺Sの崩壊チェーンにおいて、長寿命スカラーまたは擬スカラー粒子の証拠を観測できるか？
• RQ3 S質量および寿命の関数として、Br(B → K*⁰S) × Br(S → x⁺x⁻)およびBr(B⁺ → K⁺S) × Br(S → x⁺x⁻)の積に対するモデルに依存しない上限は何か？
• RQ4 e⁺e⁻、μ⁺μ⁻、π⁺π⁻、K⁺K⁻などの異なる最終状態および0.001 cmから100 cmまでの寿命にわたって、上限はどのように変化するか？

主な発見

• B⁰ → K*⁰SおよびB⁺ → K⁺S崩壊における長寿命スピン0媒介粒子Sの探索領域で、有意な信号は観測されなかった。
• S質量が1.0から4.0 GeV/c²、寿命が0.001 cmから100 cmの範囲で、Br(B⁰ → K*⁰S) × Br(S → x⁺x⁻)のモデルに依存しない95%信頼水準の上限は10⁻⁷レベルに設定された。
• B⁺ → K⁺S崩壊においても、同じ質量および寿命範囲でBr(B⁺ → K⁺S) × Br(S → x⁺x⁻)の上限は10⁻⁷レベルに達した。
• S質量が1.5–2.0 GeV/c²付近で、寿命が1–10 cm程度の領域で上限が最も強く、質量が高すぎたり低すぎたりする領域では感度が低下した。
• 観測された上限は、すべての寿命および質量チャンクで期待される上限と整合しており、バックグラウンドのみの仮説からの顕著な逸脱がないことを示している。
• 本結果は、S質量が4.0 GeV/c²未満で、寿命が100 cmまでの範囲で、長寿命スピン0媒介粒子に関する、これまでで最も厳しい制約を提供している。