[論文レビュー] Search for New Physics in the B0s mixing phase at CDF

D. Tonelli|arXiv (Cornell University)|Oct 17, 2008

Particle physics theoretical and experimental studies参考文献 24被引用数 5

ひとこと要約

本論文は、CDFで得られた時間発展した$B^0_s \to J/\psi\phi$崩壊を用いて、$B^0_s$混合位相$\beta_{s}^{J/\psi\phi}$の最初の測定を提示し、標準模型を越えるCP対称性の破れを調べている。2.8 fb$^{-1}$のデータを用いて、標準模型の予測（$\beta_{s}^{J/\psi\phi} \approx 0.02$）から1.8$\sigma$のずれが観測され、68%信頼水準（C.L.）の許容領域は$0.28 < \beta_{s}^{J/\psi\phi} < 1.29$である。これは、新しい物理の兆候を示唆する持続的な不一致を示している。

ABSTRACT

The Collider Detector at Fermilab (CDF) experiment performed the first measurement of the time-evolution of flavor-tagged B0s-&gt;J/psiphi decays, which probes mixing-induced CP-violation in the B0s sector. Any sizable deviation from zero of the phase beta_s, accessible through interference of the bbar o cbar c sbar quark-level process accompanied or not by B0s-aB0s mixing, would be unambiguous indication of physics beyond the Standard Model. I report CDF results obtained in 1.35/fb, a recent extension to a larger dataset corresponding to 2.8/fb, and future projections.

研究の動機と目的

• $B^0_s$系におけるCP対称性の破れのプローブとして、$B^0_s$混合位相$\beta_{s}^{J/\psi\phi}$を測定すること。
• 標準模型の予測（$\beta_{s}^{\text{SM}} \approx 0.02$）からのずれを探索し、$B^0_s$混合における新しい物理の兆候を示すこと。
• 振動周波数の測定だけでは制約されない、$B^0_s$混合振幅の位相を制約すること。
• 複数のトリガーからのデータを統合し、粒子識別とフレーバー・タギングを精緻化することで、新しい物理への感度を向上させること。

提案手法

• ティバトロンでの$p\bar{p}$衝突データから1.35 fb$^{-1}$のデータで$B^0_s \to J/\psi(\to \mu^+\mu^-)\phi(\to K^+K^-)$崩壊を再構築し、後に2.8 fb$^{-1}$に拡張した。
• トラッキング、ミュオン検出、$dE/dx$、および時間飛行（TOF）測定を組み合わせ、$J/\psi$および$\phi$崩壊生成粒子の高純度識別に用いた。
• 運動量およびPID変数を用いて、信号とサイドバンドサンプルでトレーニングされた人工ニューラルネットワークを適用し、信号対背景比を最適化した。
• 系統的不確実性をネイビューパramータプロファイリングにより取り入れながら、$\beta_{s}^{J/\psi\phi}$–$\Delta\Gamma$平面における2次元尤度スキャンを実施し、信頼領域を特定した。
• 系統的ゆらぎに対して頑健性を確保するため、ベイズ的手法を用いて27次元の信頼領域を2次元の等高線に投影した。
• 将来の6 fb$^{-1}$または8 fb$^{-1}$のデータ走査における発見可能性を予測するため、$\Delta\Gamma = 0.1$ ps$^{-1}$を仮定した擬似実験を用いて外挿を行った。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 標準模型の予測値$\approx 0.02$から、$\beta_{s}^{J/\psi\phi}$に測定可能なずれが生じているか？
• RQ2 現在は周波数のみが既知であるが、$B^0_s$振動周波数とは独立して$B^0_s$混合位相を制約できるか？
• RQ3 CDFとDØの独立した解析で観測された$\beta_{s}^{J/\psi\phi}$のゆらぎが、一貫した新しい物理の信号を示唆しているか？
• RQ4 将来の6 fb$^{-1}$または8 fb$^{-1}$のデータ走査において、SMを5$\sigma$で除外できる感度はどの程度か？

主な発見

• 1.35 fb$^{-1}$のデータ解析では、$\beta_{s}^{J/\psi\phi}$の標準模型予測からのずれが1.5$\sigma$であり、68%信頼水準（C.L.）の許容領域は$0.16 < \beta_{s}^{J/\psi\phi} < 1.41$であった。
• 2.8 fb$^{-1}$に拡張した後、ずれの有意水準は1.8$\sigma$に上昇し、68% C.L.の範囲は$0.28 < \beta_{s}^{J/\psi\phi} < 1.29$に狭まった。
• DØ共同研究グループも同様のずれを独立して観測し、CDFとDØの統合解析では、標準模型から2.2$\sigma$のずれが得られ、68% C.L.の範囲は$\beta_{s}^{J/\psi\phi} \in [0.24, 0.57] \cup [0.99, 1.33]$となった。
• 尤度関数には二重対称性があり、$(\pi/4, 0)$を軸として対称な二つの許容領域が存在し、それぞれ$\Delta\Gamma > 0$および$\Delta\Gamma < 0$の解に対応する。
• 6 fb$^{-1}$または8 fb$^{-1}$のデータを仮定した外挿では、真の$\beta_{s}^{J/\psi\phi}$値が観測範囲内にある場合、SMを5$\sigma$で除外できる確率（50%以上）が非常に高いことが示された。
• 現在の不確実性の範囲では、結果は標準模型と整合的であるが、独立した実験間で一貫したずれの方向が続くことから、未確認の新しい物理の兆候である可能性が示唆される。