[논문 리뷰] Angular analysis of the $B^{0} ightarrow K^{*0}\mu^{+}\mu^{-}$ decay

R. Aaij, C. Abellán Beteta외 97명|arXiv (Cornell University)|2015. 12. 14.

Particle physics theoretical and experimental studies참고 문헌 68인용 수 121

한 줄 요약

이 연구는 LHCb $pp$ 충돌 데이터 3.0 fb$^{-1}$ 를 사용하여 $B^0 \to K^{*0}(\to K^+\pi^-)\mu^+\mu^-$ 붕괴의 정밀한 각도 분석을 수행한다. $q^2$ 구간에 걸쳐 $C\!P$-평균 관측량과 $C\!P$ 비대칭성을 측정하고, $q^2$-의존적인 진폭에 대한 피팅을 통해 분석한 결과, 표준모형 예측에서 3.4$\sigma$의 편차를 보였으며, 이는 새로운 물리학이나 현재 이론 계산에 포함되지 않은 양자수반 효과의 가능성을 시사한다.

ABSTRACT

An angular analysis of the $B^{0} ightarrow K^{*0}( ightarrow K^{+}\pi^{-})\mu^{+}\mu^{-}$ decay is presented. The dataset corresponds to an integrated luminosity of $3.0\,{\mbox{fb}^{-1}}$ of $pp$ collision data collected at the LHCb experiment. The complete angular information from the decay is used to determine $C\!P$-averaged observables and $C\!P$ asymmetries, taking account of possible contamination from decays with the $K^{+}\pi^{-}$ system in an S-wave configuration. The angular observables and their correlations are reported in bins of $q^2$, the invariant mass squared of the dimuon system. The observables are determined both from an unbinned maximum likelihood fit and by using the principal moments of the angular distribution. In addition, by fitting for $q^2$-dependent decay amplitudes in the region $1.1<q^{2}<6.0\mathrm{\,Ge\kern -0.1em V}^{2}/c^{4}$, the zero-crossing points of several angular observables are computed. A global fit is performed to the complete set of $C\!P$-averaged observables obtained from the maximum likelihood fit. This fit indicates differences with predictions based on the Standard Model at the level of 3.4 standard deviations. These differences could be explained by contributions from physics beyond the Standard Model, or by an unexpectedly large hadronic effect that is not accounted for in the Standard Model predictions.

연구 동기 및 목표

• 3.0 fb$^{-1}$의 LHCb 데이터에서 전체 각도 정보를 활용하여 $B^0 \to K^{*0}(\to K^+\pi^-)\mu^+\mu^-$ 붕괴에 대한 종합적인 각도 분석을 수행한다.
• S-파 구성이 $K^+\pi^-$ 시스템에 미치는 영향을 고려하여 $C\!P$-평균 관측량과 $C\!P$ 비대칭성을 결정한다.
• 1.1–6.0 GeV$^2/c^4$ 범위의 $q^2$ 영역에서 $q^2$-의존적인 진폭 피팅을 통해 각도 관측량의 영점 교차점(Zero-crossing points)을 측정한다.
• 최대우도 분석에서 유도된 $C\!P$-평균 관측량의 전반적 피팅을 통해 관측된 관측량이 표준모형 예측과 일치하는지 테스트한다.

제안 방법

• 전체 각도 분포에서 $C\!P$-평균 관측량과 그 상관관계를 추출하기 위해 비구속 최대우도 피팅을 사용한다.
• 최대우도 결과의 검증을 위해 대안 방법으로 각도 분포의 주요 모멘트(Principal moments)를 계산한다.
• 1.1–6.0 GeV$^2/c^4$ 범위에서 $q^2$-의존적인 진폭 피팅을 수행하여 각도 관측량의 영점 교차점을 추출한다.
• 최대우도 분석에서 유도된 전체 $C\!P$-평균 관측량 세트에 대해 전반적 피팅을 수행하여 표준모형과의 일치성을 평가한다.
• S-파 $K^+\pi^-$ 구성에 의한 오염을 분석에서 명시적으로 모델링하고 보정한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 다양한 $q^2$ 구간에서 $B^0 \to K^{*0}\mu^+\mu^-$ 붕괴의 각도 관측량은 어떻게 변화하며, 이는 $C\!P$ 대칭성에 대해 무엇을 드러내는가?
• RQ2 $K^+\pi^-$ 시스템 내 S-파 기여는 각도 관측량의 결정에 얼마나 큰 영향을 미치는가?
• RQ3 1.1–6.0 GeV$^2/c^4$ 영역에서 주요 각도 관측량의 영점 교차점은 어디에 위치하며, 표준모형 기대값과 비교해보면 어떠한가?
• RQ4 측정된 $C\!P$-평균 관측량과 표준모형 예측 사이에 통계적으로 유의미한 편차가 존재하는가?

주요 결과

• 최대우도 분석에서 유도된 $C\!P$-평균 관측량에 대한 전반적 피팅 결과, 표준모형 예측에서 3.4 표준편차의 편차를 관측하였다.
• 관측된 이질성은 현재 이론 계산에 포함되지 않은 표준모형을 초월하는 물리학 기여 또는 무시된 양자수반 효과의 가능성을 시사한다.
• 1.1–6.0 GeV$^2/c^4$ 영역에서 $q^2$-의존적인 진폭 피팅을 통해 여러 각도 관측량의 영점 교차점을 계산하였다.
• 분석 과정에서 $K^+\pi^-$ 시스템 내 S-파 오염을 고려함으로써 각도 관측량 결정의 정확도가 향상되었다.
• 비구속 최대우도 피팅과 주요 모멘트 방법 모두 일관된 결과를 도출하여 관측량 추출의 강건성을 검증하였다.
• $C\!P$-평균 관측량과 그 상관관계는 여러 $q^2$ 구간에 나누어 보고되었으며, 향후 이론과의 비교를 위한 상세한 데이터셋을 제공한다.