[논문 리뷰] Bs to mu mu gamma from Bs to mu mu

F. Dettori, Diego Guadagnoli외 1명|arXiv (Cornell University)|2016. 10. 03.

Particle physics theoretical and experimental studies참고 문헌 18인용 수 5

한 줄 요약

이 논문은 $B^0_s \to \mu^+\mu^-\gamma$ 붕괴 스펙트럼을 $B^0_s \to \mu^+\mu^-$ 탐색에 사용된 동일한 데이터 샘플에서 추출하는 새로운 방법을 제안한다. 이는 $\mu^+\mu^-$ 진동 질량 창의 확장된 저질량 영역에서 방사 붕괴에 의한 오염을 분석함으로써 이루어지며, Run-2 LHC 데이터를 활용해 브랜치 비율에 대한 첫 번째 측정 또는 한계를 설정할 수 있도록 한다. 이 방법은 $\mathcal{O}_9$ 및 $\mathcal{O}_{10}$ 연산자를 통해 새로운 물리학에 대한 민감도를 제공한다.

ABSTRACT

The Bs to mu mu gamma decay offers sensitivity to a wider set of effective operators than its non-radiative counterpart Bs to mu mu, and a set that is interesting in the light of present-day discrepancies in flavour data. On the other hand, the direct measurement of the Bs to mu mu gamma decay poses challenges with respect to the Bs to mu mu one. We present a novel strategy to search for Bs to mu mu gamma decays in the very event sample selected for Bs to mu mu searches. The method consists in extracting the Bs to mu mu gamma spectrum as a "contamination" to the Bs to mu mu one, as the signal window for the latter is extended downward with respect to the peak region. We provide arguments for the actual practicability of the method already on Run-2 data of the LHC.

연구 동기 및 목표

• 희귀 방사 붕괴 $B^0_s \to \mu^+\mu^-\gamma$를 측정하는 데 도전 과제를 해결하기 위해, 낮은 효율성과 높은 배경으로 인해 어려움을 겪고 있음.
• 기존의 $B^0_s \to \mu^+\mu^-$ 이벤트 샘플을 활용하여 명시적인 광자 재구성 없이도 방사 붕괴 스펙트럼을 추출함.
• Run-2 LHC 데이터에 적용 가능한 실용적이고 데이터 기반의 방법을 제공하여 $\mathcal{B}(B^0_s \to \mu^+\mu^-\gamma)$에 대한 첫 번째 한계 또는 측정을 가능하게 함.
• 현재 $b \to s\ell\ell$ 비정상성과 관련된 $\mathcal{O}_9$ 및 $\mathcal{O}_{10}$ 연산자에 대한 새로운 물리학에 대한 민감도를 향상시킴.
• 형태 인자에 대한 불확실성에 의존도를 줄이기 위해, 격자 QCD가 정확도를 높일 수 있는 고-$q^2$ 운동역학 영역에 집중함.

제안 방법

• 방사 붕괴가 $\mu^+\mu^-$ 진동 질량 분포의 저질량 尾영역에 분포함을 고려하여, $B^0_s \to \mu^+\mu^-$ 신호 창을 $m_{\mu\mu}^2$ 값이 낮아지는 방향으로 확장함으로써 $B^0_s \to \mu^+\mu^-\gamma$ 스펙트럼을 오염 성분으로 추출함.
• 방사 붕괴가 $B^0_s \to \mu^+\mu^-$ 신호 영역과 겹치는 저질량 꼬리에 분포한다는 사실을 활용함.
• 저효율성과 낮은 해상도로 인해 명시적인 광자 재구성이 어려운 점을 고려하여, $\mu^+\mu^-$ 최종 상태의 운동역학적 및 스펙트럼적 구조를 활용함.
• 오염물질로는 오인된 반레프톤 붕괴($B \to h^\pm \mu^\mp \nu$) 및 희귀 붕괴($B \to h^0 \mu^+\mu^-$)가 포함되며, 제어 채널 및 이론적 추정치를 통해 제약을 가짐.
• 상대론적 구성 쿼크 모델에서 유도된 $B^0_s \to \gamma$ 전이에 대한 형태 인자를 사용하며, 형태 인자에 대해 10%의 불확실성과 브랜치 비율 예측에 대해 20%의 불확실성을 가짐.
• 이 분석은 전용 피팅에 구현될 수 있도록 설계되어, Run-2 LHC 데이터를 활용해 $\mathcal{B}(B^0_s \to \mu^+\mu^-\gamma)$에 대한 첫 번째 측정 또는 한계를 설정할 수 있음.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 명시적인 광자 재구성 없이도, $B^0_s \to \mu^+\mu^-$ 탐색에 사용된 동일한 데이터 샘플에서 $B^0_s \to \mu^+\mu^-\gamma$ 붕괴 스펙트럼을 추출할 수 있는가?
• RQ2 $\mu^+\mu^-$ 진동 질량 스펙트럼의 저-$m_{\mu\mu}^2$ 꼬리에서의 운동역학적 오염만을 사용하여 $B^0_s \to \mu^+\mu^-\gamma$ 붕괴율을 어느 정도 측정할 수 있는가?
• RQ3 현재 $b \to s\ell\ell$ 전이에서 관측된 비정상성에 기반해, 이 방법이 $\mathcal{O}_9$ 및 $\mathcal{O}_{10}$ 연산자에 대한 새로운 물리학 기여를 얼마나 효과적으로 해소할 수 있는가?
• RQ4 주요 시스템적 불확실성은 무엇이며, Run-2 LHC 데이터에서 첫 번째 측정 또는 한계를 내기 위해 충분히 제약을 가질 수 있는가?
• RQ5 오인된 반레프톤 붕괴 및 희귀 $B \to \mu^+\mu^- h$ 붕괴 기여에 대해 이 방법은 얼마나 강인한가?

주요 결과

• 이 방법은 $B^0_s \to \mu^+\mu^-$ 신호 창을 $m_{\mu\mu}^2$ 값이 낮아지는 방향으로 확장함으로써, $B^0_s \to \mu^+\mu^-\gamma$ 스펙트럼을 오염 성분으로 추출할 수 있음.
• 이 방법은 Run-2 LHC 데이터에 적용 가능하여, $\mathcal{B}(B^0_s \to \mu^+\mu^-\gamma)$에 대한 첫 번째 측정 또는 한계 설정이 가능함.
• 기존 데이터에 따르면 $m_{\mu\mu} \simeq 5.1$ GeV 이하에서는 $B^0_s \to \mu^+\mu^-\gamma$ 붕괴율이 수량 급격한 증가 가능성은 낮음.
• 격자 QCD 계산이 더 정확해질 수 있는 고-$q^2$ 영역에 집중함으로써, 불확실한 형태 인자에 대한 의존도를 줄임.
• 오인된 반레프톤 붕괴 및 희귀 $B \to \mu^+\mu^- h$ 붕괴 오염은 제어 채널 및 이론적 입력을 통해 제약을 가질 수 있어, 제거할 수 없는 오염이 아니라 관리 가능한 수준임.
• 이 방법은 다른 $B_q \to \ell^+\ell^-\gamma$ 붕괴로 일반화 가능하여, 향후 비방사 붕괴가 잘 측정된 후 새로운 측정에 대한 길을 열어 줌.