[論文レビュー] Test of lepton universality in $b ightarrow s \ell^+ \ell^-$ decays

LHCb collaboration, Aaij, R.+1062 more|arXiv (Cornell University)|Jan 1, 2022

Particle physics theoretical and experimental studies被引用数 15

ひとこと要約

本論文は、2011–2018年のLHCbデータ9 fb⁻¹を用いて、非共鳴状態のB⁺→K⁺ℓ⁺ℓ⁻およびB⁰→K*⁰ℓ⁺ℓ⁻崩壊におけるレプトン普遍性の初めての同時テストを提示している。2つのq²領域（低域および中央域）におけるR(K)およびR(K*)の測定により、5%未満の不確かさで標準模型と整合的である結果が得られ、検出器関連のバイアスを最小限に抑えるためにJ/ψおよびψ(2)共鳴状態を用いた一貫性のあるキャリブレーションを確立した。

ABSTRACT

The first simultaneous test of muon-electron universality using $B^{+} ightarrow K^{+}\ell^{+}\ell^{-}$ and $B^{0} ightarrow K^{*0}\ell^{+}\ell^{-}$ decays is performed, in two ranges of the dilepton invariant-mass squared, $q^{2}$. The analysis uses beauty mesons produced in proton-proton collisions collected with the LHCb detector between 2011 and 2018, corresponding to an integrated luminosity of 9 $\mathrm{fb}^{-1}$. Each of the four lepton universality measurements reported is either the first in the given $q^{2}$ interval or supersedes previous LHCb measurements. The results are compatible with the predictions of the Standard Model.

研究の動機と目的

• 非共鳴状態のB⁺→K⁺ℓ⁺ℓ⁻およびB⁰→K*⁰ℓ⁺ℓ⁻崩壊におけるミュオン-電子普遍性の最初の同時測定を実行すること。
• 電子およびミュオン最終状態の両方のキャリブレーションチャネルとして、共鳴状態のB→K*J/ψ(→ℓ⁺ℓ⁻)崩壊を用いることで、検出器関連のシステムティックバイアスを低減すること。
• すべての最終状態に同一のPIDおよび多次元分類基準を適用することで、レプトン普遍性観測量の統計的精度と信頼性を向上させること。
• この文脈で初めて、誤識別されたbハイドロン崩壊からの残存バックグラウンドを直接測定し、システムティック不確かさの推定を強化すること。
• R(K)およびR(K*)の偏差を通じて、標準模型を超える物理学の兆候（レプトン普遍性の破れ）をテストすること。

提案手法

• 分析には、2011年から2018年までの間、√s = 7、8、13 TeVでLHCb検出器が収集した9 fb⁻¹のpp衝突データを用いた。
• 信号候補は4つの最終状態で再構成された：B⁺→K⁺e⁺e⁻、B⁺→K⁺μ⁺μ⁻、B⁰→K*⁰e⁺e⁻、およびB⁰→K*⁰μ⁺μ⁻（K*⁰はK⁺π⁻に崩壊する）。
• レプトン普遍性比R(K,K*)は二重比として定義される：R(K,K*) = [Nε(B→K*μ⁺μ⁻)/Nε(B→K*J/ψ→μ⁺μ⁻)] / [Nε(B→K*e⁺e⁻)/Nε(B→K*J/ψ→e⁺e⁻)] であり、Nεは効率補正済みの収量を表す。
• 検出器の効率は、共鳴状態のB→K*J/ψ(→ℓ⁺ℓ⁻)崩壊を用いてキャリブレーションされ、今回初めて、K⁺とK*⁰最終状態の間で交換可能であることが示された。
• すべての最終状態に同一のPID要件および多次元分類器を適用する統一された選別戦略を採用し、効率キャンセレーションを最大化した。
• 誤識別されたbハイドロン崩壊からの残存バックグラウンドは、データから直接測定され、システムティック不確かさの推定が向上した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 非共鳴状態のB⁺→K⁺ℓ⁺ℓ⁻およびB⁰→K*⁰ℓ⁺ℓ⁻崩壊において、レプトン普遍性の測定可能な破れは存在するか？
• RQ2 電子およびミュオン最終状態の同時で整合的な解析は、過去の単一チャネル研究と比較してシステムティック不確かさを低減できるか？
• RQ3 電子とミュオンの間の検出器応答の違いが、レプトン普遍性測定にどの程度バイアスを及えるか、そして共鳴状態を用いてこれを補正できるか？
• RQ4 低q²（0.1–1.1 GeV²/c⁴）および中央q²（1.1–6.0 GeV²/c⁴）領域における測定されたR(K)およびR(K*)値は、標準模型の予測とどのように比較されるか？
• RQ5 データ駆動型バックグラウンド推定を組み込むことで、レプトン普遍性測定の信頼性が向上するか？

主な発見

• 低q²領域（0.1–1.1 GeV²/c⁴）におけるR(K)の測定値は0.926で、合計不確かさが0.021であり、約1.0である標準模型の予測と整合的である。
• 低q²領域におけるR(K*)の測定値は0.932で、合計不確かさが0.025であり、これも標準模型と整合的である。
• 中央q²領域（1.1–6.0 GeV²/c⁴）では、R(K)は0.937で合計不確かさが0.024であり、再び標準模型と整合的である。
• 中央q²領域におけるR(K*)の値は0.934で合計不確かさが0.025であり、標準模型からの顕著なずれは認められない。
• 最適化されたPIDおよび多次元選別により、今回の解析は、以前のLHCb解析を上回る単位通常量あたりの統計的精度を達成した。
• 共鳴状態B→K*J/ψ(→ℓ⁺ℓ⁻)崩壊をキャリブレーションチャネルとして用いることで、K⁺およびK*⁰最終状態間で堅牢で交換可能なキャリブレーションが可能となり、システムティックバイアスが低減された。