[논문 리뷰] First observation and branching fraction measurement of the $ {\Lambda}_b^0 o {D}_s^{-}p $ decay

LHCb collaboration, Aaij, R.외 1063명|arXiv (Cornell University)|2022. 01. 01.

Particle physics theoretical and experimental studies인용 수 1

한 줄 요약

이 논문은 LHCb 실험에서 $√r{13}$ TeV에서의 6 fb$^{-1}$의 proton-proton 충돌 데이터를 사용하여 $\Lambda_b^0 \to D_s^- p$ 붕괴의 최초 관측을 제시한다. 측정된 분해율은 $(12.6 \pm 0.5 \pm 0.3 \pm 1.2) \times 10^{-6}$이며, 이는 바리온 B-메손 붕괴에서 인과성의 검증을 위한 중요한 입력자료를 제공하고 $|V_{ub}|$에 대한 제약을 강화한다.

ABSTRACT

The first observation of the $Λ_b^0 o D_s^- p$ decay is presented using proton-proton collision data collected by the LHCb experiment at a centre-of-mass energy of ${\sqrt{s}=13 \, extrm{TeV}}$, corresponding to a total integrated luminosity of $6\, extrm{fb}^{-1}$. Using the $Λ_b^0 oΛ_c^+π^-$ decay as the normalisation mode, the branching fraction of the $Λ_b^0 o D_s^- p$ decay is measured to be ${\mathcal{B}(Λ_b^0 o D_s^- p)=(12.6 \pm 0.5 \pm 0.3 \pm 1.2 ) imes 10^{-6}}$, where the first uncertainty is statistical, the second systematic and the third due to uncertainties in the branching fractions of the $Λ_b^0 oΛ_c^+π^-$, $D_s^- o K^-K^+π^-$ and $Λ_c^+ o p K^- π^+$ decays.

연구 동기 및 목표

• rare hadronic decay $\Lambda_b^0 \to D_s^- p $의 관측을 목적으로 하며, 이는 b → u 전이를 통해 일어나고 $|V_{ub}|$에 민감하게 반응한다.
• 이 붕괴의 분해율을 고정밀도로 측정하여 고중량 바리온 붕괴에서의 인과성 가설을 검증한다.
• 반응형 및 다른 하드론 붕괴와의 비교를 통해 $|V_{ub}|$를 추출하는 데 새로운 채널을 제공한다.
• D_s 메손이 양성자보다 가볍지 않은 상황에서 $\Lambda_b^0 \to D_s^- p $에서의 비인과성 최종 상태 상호작용 문제를 다룬다.

제안 방법

• 신호는 $\Lambda_b^0 \to \Lambda_c^+ \pi^-$ 캐스케이드 붕괴를 통해 재구성되며, $\Lambda_c^+ \to p K^- \pi^+$ 및 $D_s^- \to K^- K^+ \pi^-$를 포함한다.
• 분해율은 정규화 모드($\Lambda_b^0 \to \Lambda_c^+ \pi^-$)를 사용하고, 재구성 효율에 의해 校정된 수익률의 비율을 통해 추출된다.
• 신호 및 배경 수익률을 추출하기 위해 $\Lambda_b^0$의 진동 질량에 대해 비분할 확장 최대우도 피팅을 수행한다.
• 배경는 시뮬레이션 샘플과 校정 데이터를 사용하여 모델링되며, 조합적, 부분 재구성, 잘못 식별된 구성 요소를 포함한다.
• 효율은 몬테카를로 시뮬레이션 이벤트와 데이터 기반 校정 샘플을 사용하여 결정된다.
• 체계적 불확실성은 중간 붕괴의 분해율($D_s^- \to K^- K^+ \pi^-$, $\Lambda_c^+ \to p K^- \pi^+$)과 검출기 효과로부터 평가된다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 $\Lambda_b^0 \to D_s^- p$ 붕괴의 분해율은 얼마이며, 이론적 예측과 일치하는가?
• RQ2 이 붕괴가 인과성 가정 없이 $|V_{ub}|$ 측정에 유용한 채널이 될 수 있는가?
• RQ3 이 바리온 붕괴에서 비인과성 강한 상호작용 효과가 붕괴 진폭에 얼마나 큰 영향을 미치는가?
• RQ4 무거운 D_s 메손을 고려할 때, 인과성 가설이 $\Lambda_b^0 \to D_s^- p $에서 얼마나 잘 유지되는가?
• RQ5 이 붕괴는 다양한 붕괴 모드 간의 $|V_{ub}|$ 측정의 보편성 검증에 사용될 수 있는가?

주요 결과

• $\Lambda_b^0 \to D_s^- p$ 붕괴는 5 표준편차 이상의 유의수준으로 최초로 관측되었다.
• 측정된 분해율은 $ (12.6 \pm 0.5 \pm 0.3 \pm 1.2) \times 10^{-6} $이며, 통계적, 체계적, 외부 분해율 불확실성으로 구성된다.
• 외부 분해율에 기인한 불확실성($\sim 1.2 \times 10^{-6}$)이 가장 큰 체계적 기여 요소이다.
• 신호 수익률은 $\Lambda_b^0$의 진동 질량 분포에 대한 비분할 확장 최대우도 피팅을 통해 추출되었다.
• $B_s^0 \to D_s^- \pi^+$, $B_s^0 \to D_s^- \rho^+$, $B_s^0 \to D_s^- K^+$에서 온 배경은 모델링되었으며, 신호의 1% 미만을 차지함을 확인하였다.
• 이 분석은 LHCb 실험에서 고정밀도로 희귀 바리온 붕괴를 측정할 수 있음을 입증한다.