[논문 리뷰] Constraints on the $K^S_0 ightarrow \mu^+ \mu^-$ Branching Fraction

R. Aaij, Carlos Abellán Beteta외 905명|arXiv (Cornell University)|2020. 01. 01.

Particle physics theoretical and experimental studies참고 문헌 21인용 수 1

한 줄 요약

이 논문은 2016–2018년 동안 LHCb 실험에서 확보한 $\sqrt{s} = 13$ TeV에서의 5.6 fb$^{-1}$의 프로톤-프로톤 충돌 데이터를 사용하여 희귀 붕괴 $K^0_S \to \mu^+\mu^-$의 분해율에 대한 새로운 상한을 제시한다. 분석은 저속도 뮤온에 대한 트리거 효율성과 재구성 성능을 향상시켜 90% 신뢰수준에서 $B(K^0_S \to \mu^+\mu^-) < 2.2 \times 10^{-10}$의 엄격한 상한을 도출하였으며, 이는 이전의 상한에 비해 상당한 향상이다.

ABSTRACT

A search for the decay K$^S_0$→$μ^+μ^-$ is performed using proton-proton collision data, corresponding to an integrated luminosity of 5.6 fb$^{-1}$ and collected with the LHCb experiment during 2016, 2017, and 2018 at a center-of-mass energy of 13 TeV. The observed signal yield is consistent with zero, yielding an upper limit of $B$(K$^S_0$→$μ^+μ^-$)&lt;2.2×10$^{-10}$ at 90% C.L.. The limit reduces to $B$(K$^S_0$→$μ^+μ^-$)&lt;2.1×10$^{-10}$ at 90% C.L. once combined with the result from data taken in 2011 and 2012.

연구 동기 및 목표

• 표준모형에서 매우 억제되는 희귀 플레버-변환 중성미류 붕괴인 $K^0_S \to \mu^+\mu^-$를 탐색하기 위해.
• LHC의 런 2 동안 향상된 트리거 및 재구성 능력을 활용하여 이 붕괴에 대한 감도를 향상시키기 위해.
• 특히 표준모형을 초월하는 물리학을 탐색하기 위해 이전 실험들보다 더 엄격한 분해율 상한을 설정하기 위해.
• 13 TeV에서의 높은 $K^0_S$ 생성 단면적과 LHCb 검출기의 전방 기하학적 특성을 활용하여 신호 탐지 능력을 향상시키기 위해.

제안 방법

• 분석은 2016–2018년 동안 LHCb 검출기가 확보한 $\sqrt{s} = 13$ TeV에서의 5.6 fb$^{-1}$의 pp 충돌 데이터를 사용한다.
• 저가속도 뮤온을 효율적으로 선택할 수 있도록 새로운 소프트웨어 트리거 전략을 도입하였다.
• 재구성 체인의 초기 단계에서 뮤온 챔버 정보를 통합함으로써 저속도 뮤온 재구성 성능을 향상시켰으며, 이는 계산 부담 감소와 효율성 증가에 기여하였다.
• 배경를 억제하기 위한 전용 기준을 포함한 이벤트 선택 기준이 적용되었으며, 신호 순도는 하드웨어 트리거 카테고리인 신호에 독립적인 트리거(TIS) 및 신호에 전적으로 의존하는 트리거(XTOS)를 사용하여 평가되었다.
• 체크 샘플과 시뮬레이션을 활용하여 체계적 불확실성을 평가하였으며, 검출기 반응 및 재구성 편향에 주의 깊게 대응하였다.
• 최종 상한은 TIS 및 XTOS 카테고리의 결과를 통합하여 설정되었으며, 분포적 방법을 적용하여 분해율에 대한 90% 신뢰수준 상한을 도출하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 희귀 $K^0_S \to \mu^+\mu^-$ 붕괴의 현재 실험적 분해율 상한은 얼마인가?
• RQ2 런 2에서 향상된 트리거 및 재구성 효율성은 런 1에 비해 이 붕괴에 대한 감도를 어떻게 향상시키는가?
• RQ3 LHCb 실험은 $K^0_S \to \mu^+\mu^-$ 분해율이 증가된다고 예측하는 새로운 물리 이론의 가능성에 대해 어느 정도 제약을 가질 수 있는가?
• RQ4 표준모형 내의 장거리 및 단거리 기여가 $K^0_S \to \mu^+\mu^-$의 기대 분해율에 어떻게 영향을 미치는가?

주요 결과

• 관측된 $K^0_S \to \mu^+\mu^-$ 신호 수확은 0과 일치하여 90% 신뢰수준에서 $B(K^0_S \to \mu^+\mu^-) < 2.2 \times 10^{-10}$의 상한이 도출되었다.
• 런 1 데이터(2011–2012)와 결합한 결과, 상한은 $B(K^0_S \to \mu^+\mu^-) < 2.1 \times 10^{-10}$로 향상되었다.
• 새로운 소프트웨어 트리거는 런 1 대비 $K^0_S \to \mu^+\mu^-$의 트리거 효율성을 약 10배 향상시켰다.
• 향상된 저pT 뮤온 재구성은 횡방향 운동량 임계값을 1.8 GeV/c에서 80 MeV/c로 낮추어 신호 감도를 크게 향상시켰다.
• 분석은 13 TeV에서 약 0.6 b의 높은 $K^0_S$ 생성 단면적과 LHCb 검출기의 전방 기하학적 특성 덕분에 유리한 조건을 확보하였다.
• 결과는 초표준모형 물리 이론에 대한 엄격한 제약을 제공하며, 특히 초대칭 및 렙토쿼크 시나리오와 같은 증가된 FCNC 과정을 예측하는 모델에 대해 중요한 제약 조건이 된다.