[논문 리뷰] Evidence for the Electroweak Penguin Decay $B o X_{s}\ell^{+}\ell^{-}$}

Kazuo Abe|ArXiv.org|2001. 07. 26.

Particle physics theoretical and experimental studies인용 수 4

한 줄 요약

이 논문은 KEKB에서의 Belle 실험에서 확보한 29.5 fb$^{-1}$의 데이터를 사용하여 전약 펜타곤 붕괴 $B \to K\mu^+\mu^-$에 대한 증거를 제시한다. 측정된 분열율은 ${\cal B}(B \to K\mu^+\mu^-) = (0.99^{+0.39}_{-0.32}{}^{+0.13}_{-0.15}) \times 10^{-6}$로, 표준모형 예측과 일치하며, 다른 $B \to X_s\ell^+\ell^-$ 모드에 대해 엄격한 90% 신뢰수준 상한선을 제시한다.

ABSTRACT

We report a search for the flavor-changing neutral current decay $B o X_{s} \ell^{+} \ell^{-}$ using a 29.5 fb$^{-1}$ data sample accumulated at the $Υ(4S)$ resonance with the Belle detector at the KEKB $e^{+}e^{-}$ storage ring. We observe evidence for $B o Kμ^+μ^-$ and report the preliminary branching fraction of ${\cal B}(B o K μ^{+} μ^{-}) = (0.99^{+0.39}_{-0.32}^{+0.13}_{-0.15}) imes 10^{-6}$. We also set the following 90% confidence level upper limits on the branching fractions for exclusive and inclusive decays, ${\cal B}(B o K e^{+} e^{-}) < 1.2 imes 10^{-6}$, ${\cal B}(B o K^*(892) e^{+} e^{-}) < 5.1 imes 10^{-6}$, ${\cal B}(B o K^*(892) μ^{+} μ^{-}) < 3.0 imes 10^{-6}$, ${\cal B}(B o X_{s} e^{+} e^{-}) < 10.1 imes 10^{-6}$, ${\cal B}(B o X_{s} μ^{+} μ^{-}) < 19.1 imes 10^{-6}$.

연구 동기 및 목표

• 표준모형에서 나무 수준에서 금지된, 그러나 고리 다이어그램을 통해 새로운 물리학에 민감한 플레버 변화 중성자 붕괴 과정인 $B \to X_s\ell^+\ell^-$를 탐색하기 위해.
• $\Upsilon(4S)$ 공진수에서 확보한 대량의 데이터 샘플을 이용해 배타적 붕괴 $B \to K\mu^+\mu^-$의 분열율을 측정하기 위해.
• 다양한 배타적 및 비배타적 $B \to X_s\ell^+\ell^-$ 붕괴 모드에 대해 90% 신뢰수준 상한선을 설정하기 위해.
• 전자약 펜타곤 과정에 대한 표준모형 예측을 검증하고 잠재적인 새로운 물리학 기여를 탐색하기 위해.

제안 방법

• KEKB의 $\Upsilon(4S)$ 공진수에서 수집한 $e^+e^-$ 충돌 데이터 29.5 fb$^{-1}$를 사용하여 Belle 검출기로 분석하였다.
• 신호 수확량을 추출하기 위해 $M_{bc}$ 기반 피팅을 수행하였으며, 운동량 재구성 기반으로 신호와 배경을 분리하였다.
• Feldman과 Cousins의 통합 접근법을 적용하여, 효율성과 배경에 대한 보수적인 추정치를 사용해 90% 신뢰수준 상한선을 계산하였다.
• 신호 및 배경 성분을 $M_{bc}$ 및 $q^2$ 분포에서 모델링하기 위해 몬테카를로 시뮬레이션과 데이터 기반 기법을 조합하였다.
• 전체 위상공간을 커버하기 위해 배타적 모드(예: $K\mu^+\mu^-$, $K^*\mu^+\mu^-$)와 비배타적 모드($X_s\ell^+\ell^-$)에 대해 별도로 분석을 수행하였다.
• 통계적 및 시스템적 불확도를 포함한 신호 수확량을 보고하였으며, 이로부터 해당 분열율과 상한선를 유도하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 Belle 데이터 샘플에서 전약 펜타곤 붕괴 $B \to K\mu^+\mu^-$에 대한 증거가 있는가?
• RQ2 $B \to K\mu^+\mu^-$의 측정된 분열율은 얼마이며, 표준모형 기대치와 어떻게 비교되는가?
• RQ3 $B \to Ke^+e^-$, $B \to K^*\ell^+\ell^-$, $B \to X_s\ell^+\ell^-$ 붕괴에 대해 90% 신뢰수준 상한선은 무엇인가?
• RQ4 $B \to X_s\ell^+\ell^-$ 모드의 측정된 또는 상한선 분열율이 표준모형 예측과 일치하는가?
• RQ5 결과는 고리 유도 FCNC 과정에서 잠재적인 새로운 물리학 기여를 어떻게 제약하는가?

주요 결과

• Belle 협력진은 $B \to K\mu^+\mu^-$ 붕괴에 대해 4.76 표준편차의 유의미한 증거를 관측하였다.
• 예비 분열율은 $(0.99^{+0.39}_{-0.32}{}^{+0.13}_{-0.15}) \times 10^{-6}$로 측정되었으며, 표준모형 예측과 일치한다.
• $B \to Ke^+e^-$에 대한 90% 신뢰수준 상한선은 ${\cal B}(B \to Ke^+e^-) < 1.2 \times 10^{-6}$이다.
• $B \to K^*\mu^+\mu^-$에 대한 상한선은 90% 신뢰수준에서 ${\cal B}(B \to K^*\mu^+\mu^-) < 3.0 \times 10^{-6}$이다.
• 비배타적 붕괴 $B \to X_s\mu^+\mu^-$의 상한선은 90% 신뢰수준에서 ${\cal B}(B \to X_s\mu^+\mu^-) < 19.1 \times 10^{-6​}$이다.
• 모든 보고된 상한선는 표준모형 예측에 가깝게 나타나, 기대되는 행동과의 유의미한 이탈이 없음을 시사한다.