[論文レビュー] Search for Rare $b o d\ell^+\ell^-$ Transitions at Belle

Belle, Belle Collaborations+394 more|arXiv (Cornell University)|Jan 1, 2024

Particle physics theoretical and experimental studies被引用数 1

ひとこと要約

本研究では、KEKBのBelle実験から得られた711 fb⁻¹のデータを用いて、B⁺/⁰ → (η, ω, π⁺/⁰, ρ⁺/⁰)ℓ⁺ℓ⁻ チャネルにおける、希少なb → dℓ⁺ℓ⁻崩壊の最初の探索を実施した。信号は観測されず、90%信頼水準における分岐率の上限は(3.8–47) × 10⁻⁸の範囲に設定され、これまでに報告された世界で最も厳しい制約となった。

ABSTRACT

We present the results of a search for the $b → dℓ^+ℓ^-$ flavor-changing neutral-current rare decays $B^{+,0} → (η,ω,π^{+,0},ρ^{+,0})e^+e^-$ and $B^{+,0} → (η,ω,π^0,ρ^+)μ^+μ^-$ using a 711 fb$^{-1}$ data sample that contains 772×10$^6$ $B\bar{B}$ events. The data were collected at the $ϒ$(4S) resonance with the Belle detector at the KEKB asymmetric-energy $e^+e^-$ collider. We find no evidence for signal and set upper limits on branching fractions at the 90% confidence level in the range (3.8–47)×10$^{-8}$ depending on the decay channel. The obtained limits are the world’s best results. This is the first search for the channels $B^{+,0}→ (ω,ρ^{+,0})e^+e^-$ and $B^{+,0} → (ω,ρ^+)μ^+μ^-$.

研究の動機と目的

• 標準模型において非常に抑制されているが、ニューサイエンスに感受しやすい、フラーバー変換中性荷電現在の崩壊b → dℓ⁺ℓ⁻の探索を目的とする。
• 軽いベクトル粒子または準スカラー粒子とジレプトンを含む希少崩壊を通じて、標準模型を超える物理学を探る。
• b → sℓ⁺ℓ⁻と比較して|Vtd/Vts|² ≈ 0.04でさらに抑制されているb → dℓ⁺ℓ⁻遷移に焦点を当てることで、ニューサイエンスの感度を向上させる。
• これまでこの文脈で未調査であったB⁺/⁰ → (ω, ρ⁺/⁰)ℓ⁺ℓ⁻崩壊モードの最初の実験的制約を確立する。
• 772 × 10⁶ B̄B イベントの大量データを用いて、これらの希少崩壊の分岐率に対する最も厳しい上限を提供する。

提案手法

• KEKBのベータ関係で、√s = 10.58 GeVのe⁺e⁻衝突データ（711 fb⁻¹）を、Belle検出器を用いて分析する。
• η、ω、π⁺/⁰、またはρ⁺/⁰中間子と、レプトン対（e⁺e⁻ または μ⁺μ⁻）を含むB中間子崩壊を再構築する。
• 組み合わせ的バックグラウンドおよびQCDマルチジェット事象を抑制するため、厳密な運動量的およびトポロジカルな再構築基準を適用する。
• ビン化された最尤フィットを用いて信号生成率を抽出し、90%信頼水準における分岐率の上限を設定する。
• 検出器のエネルギー分解能および受容率効果を含む、信号およびバックグラウンド寄与を詳細にモンテカルロシミュレーションでモデル化する。
• Belle検出器の完全なイベント再構築および粒子識別能力（トラッキング、コロイメトリー、ミューオン識別を含む）を活用する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 ℓ = e または μ の場合、希少なB⁺/⁰ → (η, ω, π⁺/⁰, ρ⁺/⁰)ℓ⁺ℓ⁻崩壊の分岐率の上限は何か？
• RQ2 標準模型による抑制因子|Vtd/Vts|² ≈ 0.04の下で、ニューサイエンスの影響がb → dℓ⁺ℓ⁻遷移で強化または異常化している場合、それを検出できるか？
• RQ3 これらの希少崩壊について、標準模型およびさまざまなBSM状況における理論的予測と観測された上限はどのように比較されるか？
• RQ4 B⁺/⁰ → (ω, ρ⁺/⁰)ℓ⁺ℓ⁻崩壊モードは実験的に観測可能か？また、感度の閾値は何か？
• RQ5 標準模型を超えるニューサイエンスを探る文脈で、b → dℓ⁺ℓ⁻崩壊はb → sℓ⁺ℓ⁻崩壊に比べてどれほど感度が向上するか？

主な発見

• どの解析チャネルに対しても顕著な信号は観測されず、分岐率が感度の閾値未満であることが示された。
• 90%信頼水準における分岐率の上限は、最終状態に応じて(3.8–47) × 10⁻⁸の範囲に設定された。
• B⁺/⁰ → (ω, ρ⁺/⁰)ℓ⁺ℓ⁻モードの上限は、これらチャネルに対してこれまでに報告された最初の実験的制約である。
• 本結果は、これまでに報告された中で最も厳しい制約であり、世界最高の上限を達成した。
• |Vtd/Vts|² ≈ 0.04の抑制要因により、b → dℓ⁺ℓ⁻遷移はニューサイエンスの寄与に対してより感受しやすくなっている。
• 本分析は、大規模で統計的に高いデータサンプルを用いた高精度な希少崩壊の探査がBelle実験で可能であることを示している。