[論文レビュー] Search for $B_{s,d}^0 o \mu^+\mu^-$ at LHCb with 300 pb$^{-1}$

Marc-Olivier Bettler|arXiv (Cornell University)|Jan 1, 2011

Particle physics theoretical and experimental studies参考文献 4被引用数 2

ひとこと要約

この論文は、CERNのLHCb実験で収集された $√{s} = 7$ TeV の陽子-陽子衝突データ 300 pb$^{-1}$ を用いて、$B_s^0 \to \mu^+\mu^-$ および $B_d^0 \to \mu^+\mu^-$ の希少崩壊モードを探索する。多変量解析とブーストドリップツリーを用い、不変質量再構成を実施した結果、95%信頼水準における上限は $B(B_s^0 \to \mu^+\mu^-) < 1.6 \times 10^{-8}$ および $B(B_d^0 \to \mu^+\mu^-) < 5.1 \times 10^{-9}$ となり、以前のLHCbの結果を改善し、標準模型の予測に近づいた。

ABSTRACT

A search for the Bs->mumu and Bd->mumu decays is performed in ~300 pb-1 of pp collisions at sqrt(s) = 7 TeV collected by the LHCb experiment at the Large Hadron Collider at CERN. The measured limit on the branching fraction of the Bs->mumu decay is BR(Bsmumu) < 1.6 10^{-8} at 95% confidence level, while that of the Bd->mumu decay is BR(Bd->mumu) < 5.1 x 10^{-9} at 95% confidence level. A combination with the 2010 dataset of LHCb yields a limit of BR(Bs->mumu) <1.5 x 10^{-8} at 95% confidence level.

研究の動機と目的

• 陽子-陽子衝突における希少なフレーバー変換中性荷電現在の崩壊 $B_s^0 \to \mu^+\mu^-$ および $B_d^0 \to \mu^+\mu^-$ の探索を目的とする。
• 2011年のLHCbデータ 300 pb$^{-1}$ を用いて、これらの崩壊の分岐比に対する改善された上限を設定すること。
• 2011年のデータを2010年のデータセット（37 pb$^{-1}$）と組み合わせることで、これらの希少崩壊に対する感度をさらに向上させること。
• 標準模型の予測を検証し、特に大きな $\tan\beta$ を持つMSSMのようなシナリオにおけるニューエイジスの寄与を探る。

提案手法

• 幾何的および運動的変数を用いてトレーニングされた多変量判別子であるブーストドリップツリー（BDT）を用い、信号とバックグラウンドを分離する。
• 制御サンプルを用いてデータから信号およびバックグラウンドの確率を導出する：信号のキャリブレーションには $B^0_q \to h^+h'^-$ を、バックグラウンドモデルにはサイドバンド $B^0_s \to \mu^+\mu^-$ キャンディデートを用いる。
• 不変質量分布を $B_s^0$ および $B_d^0$ の質量の周囲で等幅の6つのビンに分け、BDT出力を4つの区間に分け、統計的検定に用いる24ビンの2次元空間を構築する。
• 信号および正規化チャネルを同じ方法で選別し、制御崩壊 $B^+ \to J/\psi K^+$、$B_s^0 \to J/\psi \phi$、$B_d^0 \to K^+\pi^-$ から導出された正規化係数を用いることで、系統的不確実性を最小限に抑える。
• 90%および95%信頼水準における分岐比の上限を計算するためにCLs法を適用し、解析完了まで信号領域をブラインドする。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 $√{s} = 7$ TeV の LHCb データ 300 pb$^{-1}$ を用いた $B_s^0 \to \mu^+\mu^-$ の分岐比に対する上限は何か？
• RQ2 $B_d^0 \to \mu^+\mu^-$ に対して、観測されたイベント分布はバックグラウンドのみの仮説と標準模型の予測のどちらに近いか？
• RQ3 2011年および2010年のLHCbデータセットを組み合わせることで、$B_s^0 \to \mu^+\mu^-$ 崩壊に対する感度はどの程度向上するか？
• RQ4 標準模型の予測と整合する信号が、$B_s^0 \to \mu^+\mu^-$ チャネルでバックグラウンド以上に観測された証拠はあるか？

主な発見

• 2011年のデータ 300 pb$^{-1}$ を用いた結果、$B_s^0 \to \mu^+\mu^-$ の95%信頼水準における分岐比の上限は $B(B_s^0 \to \mu^+\mu^-) < 1.6 \times 10^{-8}$ である。
• 2011年のデータから得た $B_d^0 \to \mu^+\mu^-$ の95%信頼水準における上限は $B(B_d^0 \to \mu^+\mu^-) < 5.1 \times 10^{-9}$ である。
• 2011年および2010年のデータセット（合計337 pb$^{-1}$）を組み合わせた結果、$B(B_s^0 \to \mu^+\mu^-)$ の上限は95%信頼水準で $< 1.5 \times 10^{-8}$ に改善された。
• $B_d^0 \to \mu^+\mu^-$ 崩壊の観測されたp値は21%であり、感度が最も高いBDTビンにわずかな過剰が見られたが、標準模型信号を含めた場合、バックグラウンド期待値と整合的であった。
• $B_s^0 \to \mu^+\mu^-$ に対して、標準模型信号を含めた場合の観測p値は50%に上昇し、標準模型の予測と良好に整合していることが示された。
• 最終的な $B(B_s^0 \to \mu^+\mu^-)$ の上限は、標準模型の予測値 $3.2 \times 10^{-9}$ より約4.7倍高い。