[논문 리뷰] Latest results on rare decays from LHCb

Christoph Michael Langenbruch|arXiv (Cornell University)|2015. 05. 15.

Particle physics theoretical and experimental studies참고 문헌 45인용 수 11

한 줄 요약

이 논문은 LHCb 실험에서 수행한 희귀 B 메손 붕괴에 대한 업데이트된 결과를 제시하며, 전체 Run I 데이터 샘플을 사용하여 $B^0 \to K^{*0}\mu^+\mu^-$의 각도 분석에 중점을 둔다. 이는 두 개의 $q^2$ 구간에서 $P_5'$ 관측량에 대해 $2.9\sigma$의 편차를 확인하였으며, 다른 관측량들은 표준모형과 일치한다. 또한 $R_K$와 $B_s^0 \to \phi\mu^+\mu^-$ 붕괴 분율에서의 긴장이 보고되어, 표준모형을 초월한 새로운 물리 현상의 가능성을 시사한다.

ABSTRACT

Rare flavour changing neutral current decays are sensitive indirect probes for new effects beyond the Standard Model (SM). In the SM, these decays are forbidden at tree level and are therefore loop-suppressed. In SM extensions, new, heavy particles can significantly contribute and affect both their branching fractions as well as their angular distributions. The rare decay $B^0 o K^{*0}( o K^+π^-)μ^+μ^-$ is of particular interest, since it gives access to many angular observables, allowing to model-independently test the operator structure of the decay. A previous analysis of the angular distributions of the final state particles showed interesting tensions with SM predictions using the data sample taken by the LHCb detector during 2011. These proceedings will summarize latest results on rare decays from the LHCb experiment with emphasis on the angular analysis of the decay $B^0 o K^{*0}μ^+μ^-$, using the full Run I data sample of the LHCb experiment.

연구 동기 및 목표

• 고정밀 각도 분석을 통해 $B^0 \to K^{*0}\mu^+\mu^-$의 희귀 $b \to s\mu^+\mu^-$ 붕괴에서 표준모형을 시험하기 위해.
• 붕괴의 연산자 구조에 민감한 모형에 의존하지 않는 각도 관측량 측정을 통해 새로운 물리 현상을 탐색하기 위해.
• 이전 데이터에서 관측된 레프톤 대칭성과 붕괴 분율의 긴장을 해소하기 위해 전체 Run I 데이터 세트(3 fb$^{-1}$)를 사용하기 위해.
• 비구속 최대우도 추정 및 감소된 강입자 불확실성 등을 포함한 개선된 선택 및 피팅 기법을 통해 새로운 물리 현상에 대한 민감도를 향상시키기 위해.

제안 방법

• 전체 Run I LHCb 데이터 세트(3 fb$^{-1}$)에 대해 비구속 최대우도 피팅을 수행하였으며, $K^+\pi^-\mu^+\mu^-$의 진동 질량, $K^+\pi^-$ 질량, 그리고 세 개의 붕괴 각도($\cos\theta_K$, $\cos\theta_l$, $\phi$)를 입력으로 사용하였다.
• 각도 분포는 $F_L$, $A_{\text{FB}}$, 그리고 $S_i$ 관측량을 포함한 전체 $B^0 \to K^{*0}\mu^+\mu^-$ 진폭을 사용하여 모델링되었으며, $P_5' = S_5 / \sqrt{F_L(1-F_L)}$는 주요 형태인자에 의존하지 않는 탐지 수 Mittel을 제공한다.
• 신호 후보는 다변량 분류기와 엄격한 검증을 통해 선택되었으며, 조합적 배경과 피크 배경을 억제하기 위한 조치를 취하였고, 캘리브레이션을 위해 $B^0 \to J/\psi K^{*0}$와 같은 제어 붕괴가 사용되었다.
• 저 $q^2$ 영역에서의 $B^0 \to K^{*0}e^+e^-$ 각도 분석을 통해 $A_T^{(2)}$와 $A_T^{\text{Im}}$를 통해 광자 편광을 탐색하였으며, 이는 오른쪽 수동 전류에 민감하다.
• 표준모형과의 일관성을 평가하고 $P_5'$, $R_K$, $B_s^0 \to \phi\mu^+\mu^-$에서의 긴장의 유의미성을 평가하기 위해 글로벌 피팅을 수행하였다.
• 모든 여덟 개의 각도 관측량에 대해 공분산 행렬을 보고하여 이론적 예측과 정밀한 비교를 가능하게 하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 $B^0 \to K^{*0}\mu^+\mu^-$에서의 각도 관측량 $P_5'$가 $q^2$ 범위 4–8 GeV$^2$/c$^4$에서 표준모형 예측과 다를까?
• RQ2 측정된 $R_K$ 비율이 레프톤 대칭성과 일치하는가? 그리고 표준모형과 긴장이 있는가?
• RQ3 $B_s^0 \to \phi\mu^+\mu^-$의 붕괴 분율이 1–6 GeV$^2$/c$^4$ 범위에서 최신 이론 예측과 일치하는가?
• RQ4 $B^0 \to K^{*0}e^+e^-$의 각도 관측량이 표준모형과 일치하는가? 특히 광자 편광에 민감한 $A_T^{(2)}$와 $A_T^{\text{Im}}$는?
• RQ5 한 개의 새로운 물리 모형이 $P_5'$, $R_K$, $B_s^0 \to \phi\mu^+\mu^-$에서 동시에 관측된 긴장을 설명할 수 있는가?

주요 결과

• $B^0 \to K^{*0}\mu^+\mu^-$에서의 $P_5'$ 관측량은 $q^2$ 범위 4–6 GeV$^2$/c$^4$와 6–8 GeV$^2$/c$^4$에서 표준모형 예측에서 $2.9\sigma$의 편차를 보였다.
• $R_K$ 비율은 $B^0 \to K^{*0}\mu^+\mu^-$와 $B^0 \to K^{*0}e^+e^-$에서의 레프톤 대칭성을 측정하며, 표준모형과 $2.6\sigma$의 긴장을 보였다.
• $1 < q^2 < 6$ GeV$^2$/c$^4$ 범위에서 $B_s^0 \to \phi\mu^+\mu^-$의 붕괴 분율은 최신 이론 예측보다 $3.1\sigma$ 낮았다.
• $B^0 \to K^{*0}e^+e^-$의 각도 관측량—$F_L = 0.16 \pm 0.06 \pm 0.03$, $A_T^{(2)} = -0.23 \pm 0.23 \pm 0.05$, $A_T^{\text{Re}} = 0.10 \pm 0.18 \pm 0.05$, $A_T^{\text{Im}} = 0.14 \pm 0.22 \pm 0.05$—는 표준모형 예측과 일치하였다.
• 업데이트된 $B^0 \to K^{*0}\mu^+\mu^-$ 각도 관측량을 포함한 글로벌 피팅은 표준모형보다 새로운 물리 해법을 $3.7\sigma$의 유의미성으로 선호하였다.