[論文レビュー] Search for the rare hadronic decay $B_s^0 o p \bar{p}$

LHCb collaboration, Abdelmotteleb, Ahmed Sameh Wagih+1016 more|arXiv (Cornell University)|Jan 1, 2022

Particle physics theoretical and experimental studies被引用数 2

ひとこと要約

この論文は、LHCb実験が収集した $√{s} = 13$ TeV の陽子-陽子衝突データ 6 fb$^{-1}$ を用いて、珍しいハドロン型崩壊 $B_s^0 \to \bar{p}p$ の探索を報告している。信号は観測されず、90%信頼水準において $B(B_s^0 \to \bar{p}p) < 4.4 \times 10^{-9}$ の上限が設定された。これは、これまでに報告された中で世界で最も厳しい制約である。

ABSTRACT

A search for the rare hadronic decay $B_s^0 o p \bar{p}$ is performed using proton-proton collision data recorded by the LHCb experiment at a center-of-mass energy of 13 TeV, corresponding to an integrated luminosity of 6 fb$^{-1}$. No evidence of the decay is found and an upper limit on its branching fraction is set at ${\cal B}(B_s^0 o p \bar{p}) &lt; 4.4~(5.1) imes 10^{-9}$ at 90% (95%) confidence level; this is currently the world's best upper limit. The decay mode $B^0 o p \bar{p}$ is measured with very large significance, confirming the first observation by the LHCb experiment in 2017. The branching fraction is determined to be ${\cal B}(B^0 o p \bar{p}) = m (1.27 \pm 0.15 \pm 0.05 \pm 0.04) imes 10^{-8}$, where the first uncertainty is statistical, the second is systematic and the third is due to the external branching fraction of the normalization channel $B^0 o K^+π^-$. The combination of the two LHCb measurements of the $B^0 o p \bar{p}$ branching fraction yields ${\cal B}(B^0 o p \bar{p}) = m (1.27 \pm 0.13 \pm 0.05 \pm 0.03) imes 10^{-8}$.

研究の動機と目的

• 陽子-陽子衝突における $\sqrt{s} = 13$ TeV での珍しいハドロン型崩壊 $B_s^0 \to \bar{p}p$ の探索。
• これまでのものよりもより厳密な $B_s^0 \to \bar{p}p$ の分岐比の上限を設定すること。
• 一貫性と正規化のため、よく確立された $B^0 \to \bar{p}p$ 崩壊の分岐比を高精度で測定すること。
• 標準模型内でのバリオン型B崩壊における交換図および消失図の役割を調べること。

提案手法

• 分析には、LHCb検出器が収集した $\sqrt{s} = 13$ TeV の $pp$ 衝突データ 6 fb$^{-1}$ を使用した。
• $B^0 \to \bar{p}p$ および $B_s^0 \to \bar{p}p$ の信号生成数は、それぞれの不変質量分布への同時フィットによって抽出された。
• 分岐比は、正確に測定された分岐比と類似したトポロジーを示す $B^0 \to K^+\pi^-$ 崩壊モードに正規化された。
• 正規化には、検出器の効率、再構成の受容性、および $B^0_s$ から $B^0$ へのハドロン化比 ($f_s/f_d = 0.2539 \pm 0.0079$) を含めた。
• 系統的不確実性を最小限に抑えるために、類似した運動学的およびトポロジカル特徴を持つ制御モードが使用された。
• 分岐比は次の式を用いて計算された： $B(B_s^0 \to \bar{p}p) = \frac{N(B_s^0 \to \bar{p}p)}{N(B^0 \to K^+\pi^-)} \cdot \frac{\varepsilon_{B^0 \to K^+\pi^-}}{\varepsilon_{B_s^0 \to \bar{p}p}} \cdot B(B^0 \to K^+\pi^-) \cdot \frac{f_s}{f_d}$。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 珍しい崩壊 $B_s^0 \to \bar{p}p$ の分岐比は何か？
• RQ2 LHCb実験は、以前の実験よりもより感度の高い $B_s^0 \to \bar{p}p$ の上限を設定できるか？
• RQ3 $B^0 \to \bar{p}p$ および $B_s^0 \to \bar{p}p$ の測定された分岐比は、標準模型の予測とどのように一致するか？
• RQ4 これらの測定結果は、バリオン型B崩壊におけるW交換および消失図の役割について何を示唆するか？

主な発見

• $B_s^0 \to \bar{p}p$ 崩壊に対して有意な信号は観測されず、90%信頼水準において $B(B_s^0 \to \bar{p}p) < 4.4 \times 10^{-9}$ の上限が設定された。
• 95%信頼水準において上限は $5.1 \times 10^{-9}$ に改善され、この珍しい崩壊に対する世界で最も厳しい制約となった。
• $B^0 \to \bar{p}p$ の分岐比は、統計的不確実性、系統的不確実性、正規化不確実性を含めて、$B(B^0 \to \bar{p}p) = (1.27 \pm 0.15 \pm 0.05 \pm 0.04) \times 10^{-8}$ と測定された。
• この結果を以前のLHCbの測定と組み合わせることで、改良された分岐比 $B(B^0 \to \bar{p}p) = (1.27 \pm 0.13 \pm 0.05 \pm 0.03) \times 10^{-8}$ が得られた。
• 2017年にLHCbが最初に報告した $B^0 \to \bar{p}p$ の観測は、高い統計的有意性を確認した。
• これらの結果は、バリオン型B崩壊における非因子化寄与および消失図に関与する理論的モデルに対する重要な制約を提供した。