[논문 리뷰] $B^0_s ightarrow \mu^+\mu^-$ at the LHC

F. Archilli|arXiv (Cornell University)|2014. 09. 10.

Particle physics theoretical and experimental studies참고 문헌 10인용 수 3

한 줄 요약

이 논문은 LHCb와 CMS 실험의 Run I 데이터를 사용하여 $B^0_s \to \mu^+\mu^-$ 및 $B^0 \to \mu^+\mu^-$ 붕괴의 통합 분석을 제시한다. $B^0_s \to \mu^+\mu^-$ 붕괴는 6.2\sigma의 유의성로 처음로 관측되었으며, 측정된 분해율은 $ (2.8^{+0.7}_{-0.6}) \times 10^{-9} $로 표준모형과 1.2\sigma 이내에서 일치한다.

ABSTRACT

Rare leptonic decays of $B_{(s)}^0$ mesons are sensitive probes of New Physics effects. A combination of the CMS and LHCb analyses on the search of the rare decays $B_{s}^0 \ ightarrow \\mu^+\\mu^-$ and $B^0 \ ightarrow \\mu^+\\mu^-$ is presented. The branching fractions of $B_{s}^0 \ ightarrow \\mu^+\\mu^-$ and $B^0 \ ightarrow \\mu^+\\mu^-$ are measured to be $\\mathcal{B}(B_{s}^0 \ ightarrow \\mu^+\\mu^-) = (2.8 \\,^{+0.7}_{-0.6}) \ imes 10^{-9}$ and $\\mathcal{B}(B^0 \ ightarrow \\mu^+\\mu^-) = (3.9 \\,^{+1.6}_{-1.4}) \ imes 10^{-10}$ respectively. A statistical significances of $6.2\\,\\sigma$ is evaluated for $B_{s}^0 \ ightarrow \\mu^+\\mu^-$ from the Wilks' theorem while a significance of $3.0\\, \\sigma$ is measured for $B^0 \ ightarrow \\mu^+\\mu^-$ from the Feldman-Cousins procedure.

연구 동기 및 목표

• 희귀한 $B^0_s \to \mu^+\mu^-$ 및 $B^0 \to \mu^+\mu^-$ 붕괴에 대한 LHCb와 CMS 실험 결과를 통합하여 통계적 유의도와 정밀도를 향상시키기.
• 측정된 분해율이 표준모형 예측과 얼마나 일치하는지 평가하며, 특히 뉴피직스 모델의 맥락에서 고려한다.
• 양 실험의 입력 매개변수 간 상관관계를 적절히 반영하는 동시에, 동시에 unbinned 확장 최대우도 추정을 수행한다.
• 윌크스의 정리와 펠드먼-카운시스 절차를 사용하여 $B^0_s \to \mu^+\mu^-$ 신호의 통계적 유의도와 $B^0 \to \mu^+\mu^-$ 신호의 유의도를 평가한다.
• 분해율 비율 $\mathcal{R} = \mathcal{B}(B^0 \to \mu^+\mu^-)/\mathcal{B}(B^0_s \to \mu^+\mu^-)$를 측정하고, 표준모형 예측과 비교하여 뉴피직스의 존재 여부를 검증한다.

제안 방법

• LHCb 및 CMS 데이터셋의 이중자 입자 질량 스펙트럼에 대해 동시에 unbinned 확장 최대우도 피팅을 수행한다.
• 신호 성분으로 $B^0_s \to \mu^+\mu^-$ 및 $B^0 \to \mu^+\mu^-$를 포함하고, 조합적 배경, 반반열성 배경, 피크형 배경 기여도를 포함한다.
• 운동역학적 및 기하학적 변수를 바탕으로 신호와 배경을 분리하기 위해 TMVA 프레임워크를 사용해 훈련된 다변량 분류기(BDT)를 사용한다.
• 반응형 $J/\psi \to \mu^+\mu^-$ 및 $B^0_s \to \phi \to K^+K^-$를 이용해 이중자 질량을 校정하며, $\Lambda^0_b \to p\mu^-\bar{\nu}$ 붕괴에서의 수명 편향 보정을 추가한다.
• LHCb에서 측정된 b-하드론 분할 분포를 사용하여 신호 수익을 $B^+ \to J/\psi K^+$ 및 $B^0 \to K^+\pi^-$ 붕괴로 정규화한다.
• 통계적 유의도는 $B^0_s \to \mu^+\mu^-$에 대해 윌크스의 정리를, $B^0 \to \mu^+\mu^-$에 대해 펠드먼-카운시스 절차를 사용하여 평가하여 저유의도 경우를 다룬다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 측정된 $B^0_s \to \mu^+\mu^-$ 붕괴가 발견을 주장할 수 있을 정도의 충분한 유의도로 관측되었는가?
• RQ2 측정된 $B^0_s \to \mu^+\mu^-$ 및 $B^0 \to \mu^+\mu^-$ 분해율이 표준모형 예측과 어떻게 비교되는가?
• RQ3 이론적 불확실성을 포함하여 측정된 $B^0_s \to \mu^+\mu^-$ 및 $B^0 \to \mu^+\mu^-$ 분해율이 표준모형과 얼마나 일치하는가?
• RQ4 $\mathcal{R} = \mathcal{B}(B^0 \to \mu^+\mu^-)/\mathcal{B}(B^0_s \to \mu^+\mu^-)$ 비율이 표준모형 예측과 일치하는가?
• RQ5 $B^0 \to \mu^+\mu^-$ 신호의 통계적 유의도는 무엇이며, 배경만 존재하는 가설과 비교해 볼 때 어떻게 되는가?

주요 결과

• $B^0_s \to \mu^+\mu^-$ 붕괴는 윌크스의 정리를 사용하여 6.2\sigma의 통계적 유의도로 처음으로 관측되었다.
• 측정된 분해율은 $\mathcal{B}(B^0_s \to \mu^+\mu^-) = (2.8^{+0.7}_{-0.6}) \times 10^{-9}$이며, 표준모형 예측값인 $3.66 \times 10^{-9}$와 1.2\sigma 이내에서 일치한다.
• $B^0 \to \mu^+\mu^-$에 대해 3.0\sigma의 초과가 관측되었으며, 측정된 분해율은 $ (3.9^{+1.6}_{-1.4}) \times 10^{-10} $로 표준모형과 2.2\sigma 이내에서 일치한다.
• 분해율 비율 $\mathcal{R} = 0.14^{+0.08}_{-0.06}$는 표준모형 예측값인 $0.0295^{+0.0028}_{-0.0025}$와 2.3\sigma 이내에서 일치한다.
• 이론적 불확실성을 포함하여 $\mathcal{B}(B^0_s \to \mu^+\mu^-)$와 $\mathcal{B}(B^0 \to \mu^+\mu^-)$의 표준모형과의 일치도 각각 1.2\sigma 및 2.2\sigma이다.
• $\mathcal{R}$의 우도 프로파일은 표준모형에서의 값이 95% 신뢰구간에 포함되어 있어, 표준모형과의 심각한 이격이 없음을 보여준다.