[論文レビュー] Search for $K^0_{\mathrm{S(L)}} oμ^+μ^-μ^+μ^-$ decays at LHCb

LHCb collaboration|arXiv (Cornell University)|Jan 1, 2022

Particle physics theoretical and experimental studies被引用数 1

ひとこと要約

本論文は、LHCb実験が収集した $√{s} = 13$ TeV の陽子-陽子衝突データ 5.1 fb$^{-1}$ を用いて、$K^0_{ \mathrm{S(L)}} \to \mu^+\mu^-\mu^+\mu^-$ の初の実験的探索を報告している。信号は観測されず、90%信頼水準における上限は $B(K^0_S \to \mu^+\mu^-\mu^+\mu^-) < 5.1 \times 10^{-12}$ および $B(K^0_L \to \mu^+\mu^-\mu^+\mu^-) < 2.3 \times 10^{-9}$ であり、これらの崩壊に対しては初めての制約が得られた。

ABSTRACT

A search for $K_{ extrm{S(L)}}^0 ightarrowμ^{+}μ^{-}μ^{+}μ^{-}$ decays is performed using proton-proton collision data collected by the LHCb experiment at a centre-of-mass energy of 13 TeV, corresponding to an integrated luminosity of 5.1 $fb^{-1}$. No evidence for signal is found. The 90\% confidence level upper limits are the first set for both decays and are $B(K_{ extrm{S}}^0 ightarrowμ^{+}μ^{-}μ^{+}μ^{-}) &lt; 5.1 imes 10^{-12}$ and $B(K_{ extrm{L}}^0 ightarrowμ^{+}μ^{-}μ^{+}μ^{-}) &lt; 2.3 imes 10^{-9}$.

研究の動機と目的

• 標準模型において極めて抑制された、フレーバー変換を伴う中性荷電現在の崩壊 $K^0_S \to \mu^+\mu^-\mu^+\mu^-$ の探索を目的とする。
• $K^0_S \to \mu^+\mu^-\mu^+\mu^-$ および $K^0_L \to \mu^+\mu^-\mu^+\mu^-$ 崩壊の分岐比に対する、初めての実験的上限を設定することを目的とする。
• 特に、これらの分岐比を増幅させ得る、ダークセクターのモデルを含む標準模型を超える物理学を探る。
• $K^0_S \to \pi^+\pi^-$ 崩壊を正規化モードとして用いることで、測定における系統的不確実性を低減することを目的とする。

提案手法

• 逆に電荷をもつ2つのミュオン対から成る二次元頂点を形成し、そのインヴァリアント質量が 600 MeV/$c^2$ 未満である4ミュオン最終状態を再構築する。
• バイアスを避けるために、分析完了まで信号質量窓（490–510 MeV/$c^2$）内の候補を除去するブレーニング手順を適用する。
• データを2つのトリガー種別に分割する：TIS（信号とは独立にトリガー）とxTOS（信号ミュオンにのみ特化してトリガー）で、独立した解析を実施する。
• 検出器の応答、受容率、選別効果をモデル化するため、Pythia 8、EvtGen、Geant4 を用いたシミュレーションを用いる。
• 検出効率とランクインテグリティの共通の系統的不確実性を相殺するために、分岐比を $K^0_S \to \pi^+\pi^-$ 崩壊と相対的に測定する。
• LHCb検出器のトラッキング、コロイメータ、ミュオン系を用いて、厳密なミュオン識別および頂点再構築を実施する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 稀な崩壊 $K^0_S \to \mu^+\mu^-\mu^+\mu^-$ の分岐比は何か？ また、これは標準模型の予測と整合的か？
• RQ2 LHCbは、$K^0_L \to \mu^+\mu^-\mu^+\mu^-$ の分岐比に対する、初めての実験的上限を設定できるか？
• RQ3 ダークセクターのモデルを含む新しい物理学は、これらの4ミュオン崩壊の分岐比をどの程度増幅させ得るか？
• RQ4 $K^0_S \to \pi^+\pi^-$ を正規化モードとして用いることは、系統的不確実性をどの程度効果的に低減できるか？

主な発見

• 5.1 fb$^{-1}$ のデータで $√{s} = 13$ TeV の条件下で、$K^0_S \to \mu^+\mu^-\mu^+\mu^-$ 崩壊の証拠は観測されなかった。
• 90%信頼水準における $K^0_S \to \mu^+\mu^-\mu^+\mu^-$ の分岐比上限は $5.1 \times 10^{-12}$ に設定された。
• 90%信頼水準における $K^0_L \to \mu^+\mu^-\mu^+\mu^-$ の分岐比上限は $2.3 \times 10^{-9}$ に設定され、これはかつてない初めての制約である。
• 4ミュオン最終状態の信号質量分解能は約 4 MeV/$c^2$ であり、$K^0_S$ ピークの高精度再構築が可能となった。
• 2016年以降、p$_T$のしきい値を低くし、新しいソフトウェアトリガー法を導入したことで、ミュオンを多く含む崩壊のトリガー効率が著しく向上した。
• $K^0_S \to \pi^+\pi^-$ を正規化モードとして用いることで、検出効率およびランクインテグリティに関連する系統的不確実性が効果的にキャンセルされた。