[論文レビュー] Search for Decays of B0 Mesons into Pairs of Leptons

The BABAR Collaboration, B. Aubert|ArXiv.org|Jul 25, 2002

Particle physics theoretical and experimental studies参考文献 2被引用数 5

ひとこと要約

本論文では、SLACのB A B AR検出器を用いて、$\Upsilon(4S)$共鳴状態で取得した54.4 fb$^{-1}$のデータを用いて、$B^0$ メソンのレプトン対（$e^+e^-$、$\mu^+\mu^-$、$e^\pm\mu^\mp$）への希少崩壊の探索が行われた。有意な信号は観測されず、分岐比に対する90%信頼水準の上限が予備的に設定された：$\mathcal{B}(B^0 \to e^+e^-) < 3.3 \times 10^{-7}$、$\mathcal{B}(B^0 \to \mu^+\mu^-) < 2.0 \times 10^{-7}$、$\mathcal{B}(B^0 \to e^\pm\mu^\mp) < 2.1 \times 10^{-7}$。これらの結果は、特に$B$崩壊におけるフラーバー変換中性荷電現在の存在を予測するモデルを含む、標準模型を超える理論を制約する。

ABSTRACT

We present a search for the decays B0-&gt;e+e-, B0-&gt;mu+mu-, and B0-&gt;emu in data collected at the Upsilon(4S) with the BABAR detector at the SLAC B Factory. Using a data set of 54.4 fb-1, we find no evidence for a signal and set the following preliminary upper limits at the 90% confidence level: B(B0-&gt;e+e-)&lt; 3.3*10E-7, B(B0-&gt;mu+mu-) &lt; 2.0*10E-7, and B(B0-&gt;emu) &lt; 2.1*10E-7.

研究の動機と目的

• 標準模型では極めて抑制されているが、新しい物理の寄与に敏感な、$B^0$ メソンのレプトン対への希少でフラーバー変換中性荷電現在の崩壊を探索すること。
• 大きな$\Upsilon(4S)$共鳴状態からのデータサンプルを用いて、$B^0 \to e^+e^-$、$B^0 \to \mu^+\mu^-$、および$B^0 \to e^\pm\mu^\mp$崩壊の分岐比に対する厳密な上限を設定すること。
• 理論的予測の検証と、特にレプトンフラーバー違反や新しい重い粒子が$B^0$崩壊を媒介するモデルを制約すること。
• 信号効率とバックグラウンド推定におけるシステムティック不確実性を評価・組み込み、信頼性の高い上限決定を実現すること。

提案手法

• 本分析では、SLACの$B$ファクトリーにおける$\Upsilon(4S)$共鳴状態で取得した54.4 fb$^{-1}$のデータを用いた。
• 信号イベントは、$m_{\text{ES}}$（ビームエネルギー制約質量）と$\Delta E$（エネルギー差）という運動量変数を用いて選別され、$B^0$質量ピーク周辺に信号領域が定義された。
• バックグラウンドは制御領域とモンテカルロシミュレーションから推定され、上限計算にはバックグラウンドの差し引きを適用しない。
• 分岐比の上限は、統計的不確実性と信号効率および$B\bar{B}$イベント数のシステムティック不確実性を組み込んだポアソンベースの統計的手法により決定された。
• システムティック不確実性は、感度$S$の逆数$1/S$のガウス誤差分布との畳み込みを用いて伝搬された。
• 信号効率の不確実性は、$e^+e^-$チャネルで8.2%、$\mu^+\mu^-$で4.7%、$e^\pm\mu^\mp$で8.2%であり、主に分解能モデル化と$N_{\text{mult}}$要件によるものである。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 標準模型の予測を超えて、$B^0 \to e^+e^-$崩壊の分岐比は大きくなるか？
• RQ2 標準模型で極めて抑制されているにもかかわらず、大規模な$B\bar{B}$データサンプルにおいて$B^0 \to \mu^+\mu^-$崩壊の証拠が観測可能か？
• RQ3 レプトンフラーバー違反を示唆する$B^0 \to e^\pm\mu^\mp$崩壊の信号は存在するか？
• RQ4 信号再構成とバックグラウンド推定におけるシステムティック不確実性は、希少$B^0$崩壊の最終的な上限にどのように影響するか？

主な発見

• $B^0 \to e^+e^-$、$B^0 \to \mu^+\mu^-$、$B^0 \to e^\pm\mu^\mp$のいずれの崩壊モードに対しても、有意な信号は観測されなかった。
• $\mathcal{B}(B^0 \to e^+e^-)$の90%信頼水準上限は$3.3 \times 10^{-7}$であり、1件の観測事象と$0.60 \pm 0.24$件のバックグラウンド推定に基づく。
• $\mathcal{B}(B^0 \to \mu^+\mu^-)$の上限は$2.0 \times 10^{-7}$であり、観測事象は0件、バックグラウンド推定は$0.49 \pm 0.19$件。
• $\mathcal{B}(B^0 \to e^\pm\mu^\mp)$の上限は$2.1 \times 10^{-7}$であり、観測事象は0件、バックグラウンド推定は$0.51 \pm 0.17$件。
• 信号効率の総システムティック不確実性は、$e^+e^-$で8.2%、$\mu^+\mu^-$で4.7%、$e^\pm\mu^\mp$で8.2%であり、主に分解能モデル化と$N_{\text{mult}}$選別条件による。
• これらの結果は、当時においてこれらの希少$B^0$崩壊に対して最も厳しい上限を示しており、標準模型を超える新しい物理のモデルを顕著に制約している。