[논문 리뷰] Lepton-Flavor-Dependent Angular Analysis of $B o K^\ast \ell^+\ell^-$

Belle Collaboration, S. Wehle외 201명|arXiv (Cornell University)|2016. 01. 01.

Particle physics theoretical and experimental studies인용 수 109

한 줄 요약

이 논문은 KEKB의 Belle 실험에서 확보한 711 fb⁻¹의 데이터를 사용하여 B⁰ → K*⁰ℓ⁺ℓ⁻ 붕괴에 대한 최초의 렙톤-플레이버 의존성 각도 분석을 제시한다. 각도 관측량 P′₄와 P′₅를 측정하고 렙톤 플레이버 유니버설리티를 검증하였으며, 4 < q² < 8 GeV²/c⁴ 영역에서 뮤온 모드에서 2.6σ의 편차를 관측하였다—이는 LHCb의 P′₅ 이상현상과 일치하며, 전체적으로 모든 모드가 표준모형 예측과 일치함을 확인하였다.

ABSTRACT

We present a measurement of angular observables and a test of lepton flavor universality in the $B o K^\ast \ell^+\ell^-$ decay, where $\ell$ is either $e$ or $\mu$. The analysis is performed on a data sample corresponding to an integrated luminosity of $711~\mathrm{fb}^{-1}$ containing $772 imes 10^{6}$ $B\bar B$ pairs, collected at the $\Upsilon(4S)$ resonance with the Belle detector at the asymmetric-energy $e^+e^-$ collider KEKB. The result is consistent with Standard Model (SM) expectations, where the largest discrepancy from a SM prediction is observed in the muon modes with a local significance of $2.6\sigma$.

연구 동기 및 목표

• 대량의 데이터 샘플을 사용하여 B⁰ → K*⁰ℓ⁺ℓ⁻ 붕괴에 대한 최초의 렙톤-플레이버 의존성 각도 분석을 수행하기 위해.
• 전자 및 뮤온 최종 상태에 대해 각각 P′₄와 P′₅ 관측량을 측정하기 위해.
• e⁺e⁻ 및 μ⁺μ⁻ 모드 간의 관측량을 비교하여 렙톤 플레이버 유니버설리티를 검증하기 위해.
• 결과가 표준모형 예측과 얼마나 일치하는지 평가하고 새로운 물리 신호를 탐색하기 위해.
• 이전에 LHCb에서 보고된 P′₅ 이상현상의 기원을 동일한 q² 영역에서 조사하기 위해.

제안 방법

• 분석은 Belle 검출기에서 Υ(4S) 공진 상태에서 √s = 10.52 GeV에서 수집한 711 fb⁻¹의 e⁺e⁻ 충돌 데이터를 사용한다.
• B⁰ → K*⁰ℓ⁺ℓ⁻ 붕괴는 K*⁰ → K⁺π⁻ 붕괴와 이론 렙톤 시스템의 운동량 재구성에 의해 재구성된다.
• 각도 관측량은 cosθₗ, cosθₖ, φ 및 q²의 전반적인 4차원 각도 분포에 대한 비구속 최대우도 적합을 통해 추출된다.
• 차분 붕괴율은 Altmannshofer 등(2009)의 형식으로 기술되며, 관측량 P′₄와 P′₅는 각도 계수로부터 유도된다.
• 시스템적 불확실성은 제어 샘플, 시뮬레이션 및 데이터 기반 방법을 사용하여 평가되며, 신호 및 배경 모델링이 포함된다.
• 렙톤 플레이버 유니버설리티는 e⁺e⁻ 및 μ⁺μ⁻ 모드 간의 P′₄ 및 P′₅ 차이로 정의된 관측량 Q₄ 및 Q₅를 통해 검증된다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 B⁰ → K*⁰ℓ⁺ℓ⁻ 붕괴의 각도 관측량 P′₄와 P′₅에 대해 렙톤 플레이버 의존성이 측정 가능할까?
• RQ2 4–8 GeV²/c⁴ 영역에서 뮤온 모드의 측정된 각도 분포가 표준모형 예측에서 유의미하게 벗어나는가?
• RQ3 전자 및 뮤온 모드의 결과는 Q₄ 및 Q₅를 통해 검증된 렙톤 플레이버 유니버설리티와 일치하는가?
• RQ4 뮤온의 P′₅에서 관측된 긴장은 동일한 q² 영역에서 LHCb의 P′₅ 이상현상과 일치하는가?
• RQ5 시스템적 불확실성을 포함한 데이터와 표준모형 예측 간의 최대 편차의 유의미성은 얼마인가?

주요 결과

• 표준모형 예측에서 가장 큰 편차는 뮤온 모드에서 관측되었으며, 4 < q² < 8 GeV²/c⁴ 영역에서 P′₅ 관측량의 국소적 유의미성은 2.6σ였다.
• 동일한 q² 영역에서 전자 모드는 1.3σ의 편차를 보였으며, 모든 채널을 통합한 분석에서는 시스템적 불확실성을 포함해 2.5σ의 긴장이 있었다.
• 렙톤 플레이버 유니버설리티 위반을 측정하는 Q₄ 및 Q₅ 관측량은 0에서의 유의미한 편차를 보이지 않았으며, 4–8 GeV²/c⁴ 영역에서 Q₄ = 0.448 ± 0.392 ± 0.076 및 Q₅ = 0.498 ± 0.410 ± 0.095였다.
• 전자 및 뮤온 모드의 P′₄ 및 P′₅를 포함한 모든 측정된 관측량은 불확실성 내에서 표준모형 기대값과 일치하였다.
• 전자 및 뮤온 최종 상태 간의 결과는 일치하였으며, Q₄ 및 Q₅ 관측량에서 렙톤 플레이버 유니버설리티 위반의 증거는 없었다.
• 4–8 GeV²/c⁴ 영역에서 뮤온의 P′₅에서 관측된 2.6σ의 긴장은 LHCb의 P′₅ 이상현상과 일치하며, 새로운 물리 현상의 공통 기원일 수 있음을 시사한다.