[논문 리뷰] Improved Measurement of CP Violation Parameters in Bs0→J/ψK+K- Decays in the Vicinity of the ϕ(1020) Resonance

LHCb collaboration, R. Aaij외 1101명|arXiv (Cornell University)|2023. 01. 01.

Particle physics theoretical and experimental studies참고 문헌 50인용 수 2

한 줄 요약

이 논문은 LHC 런 2의 6 fb⁻¹ 데이터를 사용하여 B₀ˢ → J/ψK⁺K⁻ 붕괴에서 CP 위반 매개변수를 가장 정밀하게 측정한 결과를 제시한다. ϕₛ = −0.039 ± 0.022 ± 0.006 rad, ∆Γₛ = 0.0845 ± 0.0044 ± 0.0024 ps⁻¹, 그리고 Γₛ − Γₔ = −0.0056⁺⁰.⁰⁰¹³₋⁰.⁰⁰¹⁵ ± 0.0014 ps⁻¹를 보고하며, 모두 표준모형 예측과 일치하고 K⁺K⁻ 시스템에서의 편광 의존성이 없음을 보여준다.

ABSTRACT

The decay-time-dependent $CP$ asymmetry in $B^0_s o J/ψ( o μ^{+}μ^{-}) K^{+}K^{-}$ decays is measured using proton-proton collision data, corresponding to an integrated luminosity of 6 $fb^{-1}$, collected with the LHCb detector at a center-of-mass energy of 13 TeV. Using a sample of approximately 349 000 $B^{0}_{s}$ signal decays with an invariant $K^{+}K^{-}$ mass in the vicinity of the $ϕ(1020)$ resonance, the $CP$-violating phase $ϕ_s$ is measured, along with the difference in decay widths of the light and heavy mass eigenstates of the $B^0_s$-$\bar{B}^0_s$ system, $ΔΓ_s$, and the difference of the average $B^0_s$ and $B^0$ meson decay widths, $Γ_s-Γ_d$. The values obtained are $ϕ_s = \ -0.039 \pm 0.022 \pm 0.006$ rad, $ΔΓ_s = 0.0845 \pm 0.0044 \pm 0.0024 $ ps$^{-1}$ and $Γ_s-Γ_d = -0.0056 ^{+ 0.0013}_{-0.0015} \pm 0.0014$ ps$^{-1}$, where the first uncertainty is statistical and the second systematic. These are the most precise single measurements to date and are consistent with expectations based on the Standard Model and with the previous LHCb analyses of this decay. These results are combined with previous independent LHCb measurements. The phase $ϕ_s$ is also measured independently for each polarization state of the $K^{+}K^{-}$ system and shows no evidence for polarization dependence.

연구 동기 및 목표

• 완전한 런 2 데이터셋을 사용하여 B₀ˢ → J/ψK⁺K⁻ 붕괴에서 CP 위반 매개변수 측정의 정밀도를 향상시키기 위해.
• B₀ˢ–B̄₀ˢ 혼합에서 새로운 물리학에 매우 민감한 CP 위반 단계 ϕₛ를 통해 표준모형을 초월한 물리학을 탐색하기 위해.
• 향상된 캘리브레이션, PID 및 붕괴 시간 해상도 모델을 사용하여 ∆Γₛ 및 Γₛ − Γₔ를 더 정확하게 측정하기 위해.
• K⁺K⁻ 시스템에서 ϕₛ의 편광 의존성이 있는지 테스트하기 위해, 이는 새로운 물리학 또는 시스템적 오차를 시사할 수 있다.
• 이 결과를 이전 LHCb 측정치와 융합하여 ϕₛ의 전 세계 평균을 보다 정밀하게 보정하기 위해.

제안 방법

• √s = 13 TeV에서 LHCb 검출기에서 수집한 6 fb⁻¹의 양성자-양성자 충돌 데이터를 사용한다.
• 2015–2018년에 대해 별도로 훈련된 기울기 부스팅 결합 트리(BDT) 분류기를 적용하여 신호 대 배경 비율을 최적화한다.
• m(J/ψK⁺K⁻) 분포에 대한 확장된 최대우도 적합을 통해 sPlot 방법을 사용하여 신호 가중치를 할당한다.
• 신호 형상은 질량 불확도 σₘ에 따라 변하는 이중 측면 크리스탈 볼 함수로 모델링하며, 이는 이차 다항식에 의해 결정된다.
• 각 년도의 데이터 수집 및 검출기 조건에 맞춘 전용 몬테카를로 시뮬레이션을 사용하여 검출기 효과를 보정한다.
• 예를 들어 Λ₀ᵇ → J/ψpK⁻에서 유래하는 피크형 배경을 음수 가중치를 가진 시뮬레이션 이벤트를 통계적으로 주입하여 제거한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 런 2 데이터를 사용하여 B₀ˢ → J/ψK⁺K⁻ 붕괴에서 CP 위반 단계 ϕₛ의 가장 정밀한 측정치는 무엇인가?
• RQ2 측정된 ∆Γₛ 및 Γₛ − Γₔ 값은 표준모형 예측과 이전 측정치와 어떻게 비교되는가?
• RQ3 K⁺K⁻ 시스템의 다양한 편광 상태에서 ϕₛ의 편광 의존성이 있는가에 대한 증거가 있는가?
• RQ4 PID 캘리브레이션, 풍미 태깅 및 붕괴 시간 해상도 향상으로 인해 매개변수의 최종 정밀도는 어떻게 영향을 받는가?
• RQ5 이 업데이트된 LHCb 결과를 포함한 후, ϕₛ의 통합 세계 평균은 얼마인가?

주요 결과

• CP 위반 단계 ϕₛ는 −0.039 ± 0.022 (통계적) ± 0.006 (시스템적) rad로 측정되었으며, 지금까지 가장 정밀한 단일 측정치이다.
• 붕괴 폭 차이 ∆Γₛ는 0.0845 ± 0.0044 (통계) ± 0.0024 (시스템) ps⁻¹로 결정되었다.
• 평균 붕괴 폭의 차이, Γₛ − Γₔ는 −0.0056⁺⁰.⁰⁰¹³₋⁰.⁰⁰¹⁵ (통계) ± 0.0014 (시스템) ps⁻¹로 측정되었다.
• 결과는 표준모형 예측과 일치하며, 동일한 붕괴 모드에 대한 이전 LHCb 분석과도 일치한다.
• K⁺K⁻ 시스템의 편광 상태 간에 ϕₛ의 편광 의존성이 없음을 발견하지 못했다.
• 업데이트된 결과는 이전 LHCb 측정치와 융합되었으며, 표준모형 예측인 −2βₛ ≈ −0.0368 rad와의 일치성을 더욱 강화하였다.