[論文レビュー] Test of lepton universality in beauty-quark decays

LHCb Collaboration, Diego Torres Machado+956 more|arXiv (Cornell University)|Mar 22, 2021

Particle physics theoretical and experimental studies参考文献 150被引用数 114

ひとこと要約

本論文は B+ → K+ l+l− 減衰における RK 比を測定し、1.1–6.0 GeV^2/c^4 q^2 範囲で RK = 0.846^{+0.044}_{-0.041} であることを見いだし、3.1σ のレプトン普遍性の違反の証拠が示されている。

ABSTRACT

The Standard Model of particle physics currently provides our best description of fundamental particles and their interactions. The theory predicts that the different charged leptons, the electron, muon and tau, have identical electroweak interaction strengths. Previous measurements have shown a wide range of particle decays are consistent with this principle of lepton universality. This article presents evidence for the breaking of lepton universality in beauty-quark decays, with a significance of 3.1 standard deviations, based on proton-proton collision data collected with the LHCb detector at CERN's Large Hadron Collider. The measurements are of processes in which a beauty meson transforms into a strange meson with the emission of either an electron and a positron, or a muon and an antimuon. If confirmed by future measurements, this violation of lepton universality would imply physics beyond the Standard Model, such as a new fundamental interaction between quarks and leptons.

研究の動機と目的

• b → s l+ l− 遷移におけるレプトン普遍性を検証する。
• B+ → K+ l+ l− における μ と e の分岐比の比を測定する。
• 正規化として B+ → J/ψ(K+) デカイを用いた二重比技術によって系統不確実性を制御・打ち消しする。
• 効率補正を検証するため関連共鳴チャネル（例：ψ(2S））でクロスチェックを提供する。

提案手法

• 7, 8, 13 TeV で収集された LHCb の 9 fb−1 に相当する pp 衝突データを使用する。
• R_K を 1.1 < q^2 < 6.0 GeV^2/c^4 の微分分岐比の二重比として定義する（式(2)）。”
• q^2 および質量適合を用いて非共鳴の B+ → K+ μ+ μ− と共鳴の B+ → J/ψ(→ μ+ μ−) K+ 減衰を分離する。
• 再構成効率をシミュレーションイベントで補正し、制御チャネルで較正して％レベルの精度を達成する。
• 共鳴モードのガウス拘束を組み込みつつ、m(K+ ℓ+ ℓ−) および m(J/ψ(K+ ℓ+ ℓ−)) への unbinned extended 最大尤度フィットで得られ量を抽出する。
• r_{J/ψ} 比（μ/μ）で効率普遍性をクロスチェックし、ψ(2S) チャネル（R_{ψ(2S)}）で検証する。

Figure 1: Contributions to ${{B}^{+}}\!\rightarrow{{K}^{+}}\ell^{+}\ell^{-}$ decays in the SM and possible new physics models. A ${{B}^{+}}$ meson, consisting of $\overline{b}$ and $u$ quarks, decays into a ${K}^{+}$ , containing $\overline{s}$ and $u$ quarks, and two charged leptons, ${\ell^{+}}{\e

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 1.1 < q^2 < 6.0 GeV^2/c^4 に積分した場合、B+ → K+ μ+ μ− の崩壊率は B+ → K+ e+ e− と同じ速さで起こるか？
• RQ2 SM の予測である一と等しいことを超える b → s l+ l− 遷移におけるレプトン普遍性の違反の証拠はあるか？
• RQ3 効率と背景モデル化の系統不確実性に対して測定はどれだけ堅牢か？
• RQ4 共鳴制御チャネル（例：J/ψ、ψ(2S)）は非共鳴 RK の結果を裏付けるか？
• RQ5 測定された RK は過去の実験および SM の期待とどのように比較されるか？

主な発見

• RK in 1.1 < q^2 < 6.0 GeV^2/c^4 は 0.846^{+0.044}_{-0.041} (stat+sys)。
• 統計的および系統的不確かさを結合すると RK = 0.846^{+0.044}_{-0.041} となる。
• 3.1 標準偏差の水準でレプトン普遍性違反の証拠の証拠が得られた（p 値 0.10%）。
• r_{J/ψ} 比は 0.981 ± 0.020 と測定され、不確かさの範囲内で1に一致している。
• R_{ψ(2S)} での独立検証は 0.997 ± 0.011 を与え、解析手法を支持する。
• この測定は以前の RK 結果を上回る精度を持ち、データサブセット間で一貫性を示す。

Figure 2: Candidate invariant mass distributions. Distribution of the invariant mass $m_{({{J\mskip-3.0mu/\mskip-2.0mu\psi\mskip 2.0mu}})}{({{K}^{+}}\ell^{+}\ell^{-})}$ for candidates with (left) electron and (right) muon pairs in the final state for the (top) nonresonant ${{B}^{+}}\!\rightarrow{{K}