[논문 리뷰] Evidence for $B^{+} o K^{+} u\bar{ u}$ Decays

Belle II Collaboration, I. Adachi외 453명|arXiv (Cornell University)|2023. 01. 01.

Particle physics theoretical and experimental studies참고 문헌 44인용 수 10

한 줄 요약

이 논문은 벨레 II 실험에서 Υ(4S) 공진 상태에서 수집한 362 fb⁻¹의 e⁺e⁻ 충돌 데이터를 사용하여 희귀 B⁺ → K⁺νν̄ 붕괴에 대한 최초의 증거를 제시한다. 기계학습을 활용한 포함 태깅을 통해 배경을 억제하고, 강입자 태깅을 통한 결과 검증을 통해 통합 분석을 수행한 결과, 분해율은 (2.3 ± 0.5(stat)⁺⁰.⁵₋₀.⁴(syst)) × 10⁻⁵로 도출되었으며, 이는 3.5σ의 뜻밖의 의미를 가지며, 표준모형 예측보다 2.7σ 높게 나타났다.

ABSTRACT

We search for the rare decay $B^{+} ightarrow K^{+} u\bar{ u}$ in a $362\ m{fb}^{-1}$ sample of electron-positron collisions at the $\Upsilon(4S)$ resonance collected with the Belle II detector at the SuperKEKB collider. We use the inclusive properties of the accompanying $B$ meson in $\Upsilon(4S) o B\kern 0.18em\overline{\kern -0.18em B}{}$ events to suppress background from other decays of the signal $B$ candidate and light-quark pair production. We validate the measurement with an auxiliary analysis based on a conventional hadronic reconstruction of the accompanying $B$ meson. For background suppression, we exploit distinct signal features using machine learning methods tuned with simulated data. The signal-reconstruction efficiency and background suppression are validated through various control channels. The branching fraction is extracted in a maximum likelihood fit. Our inclusive and hadronic analyses yield consistent results for the $B^{+} ightarrow K^{+} u\bar{ u}$ branching fraction of $\left[2.7\pm 0.5(\mathrm{stat})\pm 0.5(\mathrm{syst}) ight] imes 10^{-5}$ and $\left[1.1^{+0.9}_{-0.8}(\mathrm{stat}){}^{+0.8}_{-0.5}(\mathrm{syst}) ight] imes 10^{-5}$, respectively. Combining the results, we determine the branching fraction of the decay $B^{+} ightarrow K^{+} u\bar{ u}$ to be $\left[2.3 \pm 0.5(\mathrm{stat})^{+0.5}_{-0.4}(\mathrm{syst}) ight] imes 10^{-5}$, providing the first evidence for this decay at $3.5$ standard deviations. The combined result is $2.7$ standard deviations above the standard model expectation.

연구 동기 및 목표

• . 주요 목적은 표준모형에서 매우 억제되는 희귀 플레버 변화 중성자 붕괴 붕괴인 B⁺ → K⁺νν̄를 탐색하는 것으로, 이 붕괴는 새로운 물리학에 민감하게 반응한다.
• . Υ(4S) → BB 사건에서 동반 B 메손을 이용한 포함 태깅을 통해 비가시성 뉴트리노와 큰 배경으로 인한 실험적 과제를 극복하고자 한다.
• . 신호 재구성과 배경 억제를 검증하기 위해 시뮬레이션 데이터에 맞춘 기계학습 기법을 활용하는 것이 목적이다.
• . 최대우도 적합을 통해 통제 가능한 시스템적 불확실성을 가진 분해율을 추출하는 것이 목적이다.
• . 관측된 신호가 표준모형 예측과 다름을 보이며, 표준모형을 초월한 물리학의 징후가 될 수 있는지 판단하는 것이 목적이다.

제안 방법

• . 신호는 √s = 10.56 GeV에서의 e⁺e⁻ 충돌에서 Υ(4S) 공진 상태 붕괴를 통해 BB 쌍을 생성함으로써 재구성된다.
• . 포함 태깅이 사용되며, 동반 B 메손(Btag)의 운동학적 특성을 활용하여 다른 B 붕괴와 경량 쿼크 쌍에서 오는 배경을 억제한다.
• . 기계학습 기반의 다변량 분류기인 강화된 결정 트리(BDT)는 21개의 변수(운동학적, 기하학적, 복합점 특성 포함)를 사용하여 시뮬레이션 데이터에서 신호와 배경을 구분하도록 훈련된다.
• . 신호 재구성 효율성과 배경 억제 성능은 최적화된 BDT 파rameter를 사용하여 B⁺ → K⁺K₀K₀ 및 B⁰ → K₀K⁺K⁻와 같은 제어 채널을 통해 검증된다.
• . 최종 분해율은 신호를 가우시안 또는 크리스탈 볼 함수로, 배경을 체비셰프 다항식으로 모델링한 ∆E 분포에 대해 비구속 최대우도 적합을 통해 추출된다.
• . 시스템적 불확실성은 전용 연구를 통해 평가되며, π 입자 오식별 오차 및 D 메손, 연속성 배경 정규화 조정에 대한 데이터-시뮬레이션 보정이 포함된다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 . 벨레 II 데이터셋에서 B⁺ → K⁺νν̄ 붕괴가 배경을 초월해 측정 가능한 신호를 나타내는가?
• RQ2 . Btag 메손을 이용한 포함 태킹이 다른 B 붕괴와 경량 쿼크 쌍 생성에서 오는 배경을 효과적으로 억제하는가?
• RQ3 . 시뮬레이션 데이터에 기반한 기계학습 분류기가 비가시 final state 붕괴에서 신호 재구성 효율성과 배경 억제에 얼마나 기여하는가?
• RQ4 . 관측된 신호가 (5.58 ± 0.37) × 10⁻⁶로 예측된 표준모형 예측과 일치하는가?
• RQ5 . 관측된 신호의 뜻밖의 의미는 무엇이며, 이는 표준모형 예측과의 이격을 시사하는가?

주요 결과

• . 포함 분석 결과 B⁺ → K⁺νν̄ 붕괴의 분해율은 (2.7 ± 0.5(stat) ± 0.5(syst)) × 10⁻⁵로 도출되었다.
• . 강입자 태킹 분석 결과 분해율은 (1.1⁺⁰.⁹₋₀.⁸(stat)⁺⁰.⁸₋₀.⁵(syst)) × 10⁻⁵로 도출되었다.
• . 통합 결과는 (2.3 ± 0.5(stat)⁺⁰.⁵₋₀.⁴(syst)) × 10⁻⁵로, 이는 3.5 표준편차의 뜻밖의 의미를 가지며, 이 붕괴에 대한 최초의 증거를 제공한다.
• . 측정된 분해율은 표준모형 예측 (5.58 ± 0.37) × 10⁻⁶보다 2.7 표준편차 높게 나타났다.
• . q²_rec 분포에 대한 데이터-시뮬레이션 비율은 D 메손 질량 임계값 이하에서 불일치를 보이며, D → K₀ᴸX 붕괴 샘플에 대해 30 ± 2%의 정규화 이격이 발생한다.
• . 비공진 상태 연속성 배경 정규화에 대한 시스템적 불확실성은 분할 샘플 조합 적합을 통해 50%로 증가되었으며, 이는 데이터와의 일치를 향상시켰다.