[논문 리뷰] Amplitude analysis of the radiative decay $ { extrm{B}}_{ extrm{s}}^0 $→ K$^{+}$K$^{−}$γ

LHCb Collaboration, R. Aaij외 1094명|arXiv (Cornell University)|2024. 01. 01.

Quantum Chromodynamics and Particle Interactions인용 수 1

한 줄 요약

이 논문은 LHCb에서 확보한 9 fb⁻¹의 pp 충돌 데이터를 바탕으로, 2400 MeV/c² 이하의 진동 질량까지의 방사형 B⁰ₛ → K⁺K⁻γ 붕괴에 대한 최초의 진폭 분석을 제시한다. 이 분석에서는 B⁰ₛ → f′₂(1525)γ의 방사 붕괴를 최초로 관측하였으며, 상대적 붕괴율을 19.4⁺⁰.⁹₋₀.⁸(stat)⁺¹.⁴₋₀.⁵(syst)%로 측정하였다. f′₂(1525) 상태는 진폭의 16.8% 기여를 하며, 주로 강화 간섭에 의해 지배된다.

ABSTRACT

A search for radiative decay of $B^0_s$ mesons to orbitally excited $K^+K^-$ states is performed using proton proton collisions recorded by the \mbox{LHCb}\xspace experiment, corresponding to an integrated luminosity of 9~fb$^{-1}$. The dikaon spectrum in the mass range $m_{KK}<2400$~{\ensuremath{\, ext{Me\kern -0.1em V\!/}c^2}\xspace} is dominated by the $ϕ(1020)$ resonance that accounts for almost 70$\%$ of the decay rate. Considering the possible contributions of $f_2{(1270)}$, $f'_2{(1525)}$ and $f_2{(2010)}$ meson states, the overall tensor contribution to the amplitude is measured to be \begin{equation} {\cal F}_{\{f_2\}}=16.8\pm 0.5\mathrm{~(stat.)}\pm0.7\mathrm{~(syst.)}\%, onumber \end{equation} mostly dominated by the $f'_2(1525)$ state. Several statistically equivalent solutions are obtained for the detailed resonant structure depending on whether the smaller amplitudes interfere destructively or constructively with the dominant amplitude. The preferred solution that corresponds to the lowest values of the fit fractions along with constructive interference leads to the relative branching ratio measurement \begin{equation} \frac{{\cal B}(B^0_s o f'_2γ)}{{\cal B}(B^0_s oϕγ)}= 19.4^{+0.9}_{-0.8}\mathrm{~(stat.)}{}^{+1.4}_{-0.5}\mathrm{~(syst.)}\pm0.5\mathrm{~(\cal{B})}\% onumber, \end{equation} where the last uncertainty is due to the ratio of measured branching fractions to the $K^+K^-$ final state. This result represents the first observation of the radiative $B^0_s o f'_2(1525)γ$ decay, which is the second radiative transition observed in the $B^0_s$ sector.

연구 동기 및 목표

• 2400 MeV/c² 이하의 진동 질량까지의 K⁺K⁻γ 최종 상태에서 B⁰ₛ 붕괴의 상세한 진폭 분석을 수행하기 위해.
• 궤도적으로 구두된 K⁺K⁻ 상태, 특히 f₂(1270), f′₂(1525), f₂(2010)의 기여를 방사 붕괴 B⁰ₛ → K⁺K⁻γ에서 식별하고 측정하기 위해.
• 다이카온 시스템의 공명 구조를 규명하고, 텐서 상태 간의 간섭 효과와 주요 ϕ(1020) 공명의 영향을 분석하기 위해.
• B⁰ₛ → f′₂(1525)γ의 방사 붕괴를 최초로 관측하여, B⁰ₛ 부문에서 두 번째로 관측된 방사 전이로 확인하기 위해.

제안 방법

• LHCb에서 √s = 7, 8, 13 TeV에서 확보한 9 fb⁻¹의 pp 충돌 데이터를 바탕으로 부분파 진폭 분석을 수행하였다.
• 공명 및 비공명 성분을 포함한 동적 이소바르 모델을 사용하여 K⁺K⁻ 최종 상태를 기술하였으며, ϕ(1020), f′₂(1525), f₂(1270), f₂(2010), ϕ(1680) 상태를 포함하였다.
• 공명 진폭 간의 간섭 항목을 포함하였으며, 부분파 진폭을 모델링하기 위해 위상공간과 Blatt–Weisskopf 장벽 요소를 적용하였다.
• 신호 효율을 향상시키고 조합 배경을 억제하기 위해 다변량 분류기와 최적화된 트리거 선택 기준을 사용하였다.
• 체계적 불확실성은 제어 샘플과 시뮬레이션을 통해 평가하였으며, 최대우도 피팅을 통해 피팅 분율과 간섭 항목을 추출하였다.
• 최소 χ²와 최소 피팅 분율을 기반으로 선호되는 해를 선택하였으며, 이는 주로 f′₂(1525) 진폭의 강화 간섭을 지칭한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 2400 MeV/c² 이하의 진동 질량까지의 B⁰ₛ → K⁺K⁻γ 붕괴에서 K⁺K⁻ 시스템의 공명 구조는 어떠한가?
• RQ2 f′₂(1525) 메손은 B⁰ₛ → K⁺K⁻γ 붕괴의 진폭에 어떤 기여를 하는가?
• RQ3 텐서 상태 간의 간섭 효과와 주요 ϕ(1020) 공명이 진폭 분석에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ4 B⁰ₛ → f′₂(1525)γ의 상대적 붕괴율은 B⁰ₛ → ϕγ에 비해 얼마인가?
• RQ5 진폭 구조에 대해 물리적으로 등가인 다중 해가 존재하는가? 그리고 피팅 품질 기반으로 어느 것이 선호되는가?

주요 결과

• f′₂(1525) 상태는 총 진폭의 16.8%를 기여하며, 통계적 불확실성은 ±0.5%이고 체계적 불확실성은 ±0.7%이다.
• B⁰ₛ → f′₂(1525)γ의 방사 붕괴는 최초로 관측되었으며, 상대적 붕괴율은 19.4⁺⁰.⁹₋₀.⁸(stat)⁺¹.⁴₋₀.⁵(syst)%로 측정되었다. 마지막 불확실성은 붕괴율의 비율에 기인한다.
• 선호되는 해는 f′₂(1525) 진폭과 주요 ϕ(1020) 진폭 간의 강화 간섭을 포함하며, 전체 피팅 분율과 χ²를 최소화한다.
• f₂(1270)와 f₂(2010) 상태는 각각 0.8%와 0.4%의 기여를 하며, 간섭 효과로 인해 더 큰 불확실성을 가진다.
• 분석은 다수의 준수합성 피팅 최소값을 드러내었지만, 강화 간섭을 포함한 해가 가장 낮은 χ²를 기록하여 선호되는 물리적 해석으로 선정되었다.
• ϕ(1020) 공명의 측정된 질량과 너비는 세계 평균과 1.5σ 이내에서 일치하며, Blatt–Weisskopf 반지름은 1.0 (GeV/c)⁻¹이다.