[논문 리뷰] Measurement of B meson production fraction ratios in proton-proton collisions at $\sqrt{s}$ = 13 TeV using open-charm and charmonium decays

CMS Collaboration|arXiv (Cornell University)|2026. 02. 10.

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한 줄 요약

이 논문은 13 TeV에서 open-charm 및 charmonium 붕괴 채널을 사용하여 B meson 생성 분수 비의 측정치를 보고하며, f_s/f_u, f_s/f_d 및 관련 관찰치를 포함합니다.

ABSTRACT

Production fraction ratios of B$^+$, B$^0$, and B$^0_\mathrm{s}$ mesons are measured in proton-proton collisions at $\sqrt{s}$ = 13 TeV using a special data set recorded in 2018 with high-rate triggers designed to collect an unbiased sample of $10^{10}$ b hadrons with the CMS experiment at the LHC. These data allow the use of the open-charm decays of B mesons (B$_\mathrm{(s)}$ $ o$ $π$D$_\mathrm{(s)}$) where the D meson decays into fully hadronic final states. Production fraction ratios as functions of B meson transverse momentum ($p_\mathrm{T}$) and rapidity ($y$) are measured using the open-charm decays in the kinematic range of 8 $\lt$ $p_\mathrm{T}$ $\lt$ 60 GeV and $\lvert y vert$ $\lt$ 2.25. In addition, the same data are used to measure the relative production fraction ratios with the charmonium decay channels (B$_\mathrm{(s)}$ $ o$ X$\,$J/$ψ$ with X indicating a K$^+$, K$^*$(892)$^0$, or $ϕ$(1020) meson) with the J/$ψ$ meson decaying into a pair of muons. By utilizing known branching fractions, precision theoretical calculations, and the open-charm results, the production fraction ratios in the charmonium samples are determined with an absolute normalization for the first time. These results also improve several world-average values of the ratios of branching fractions of B meson decays to charmonium and open-charm states. Finally, we test isospin invariance in B meson production in proton-proton collisions and observe that it holds within the experimental precision.

연구 동기 및 목표

• B meson fragmentation fractions를 결정해야 하는 필요성을 동인으로 삼아 LHC pp 충돌에서 charm 및 bottom hadron 생산 이해를 향상시키려는 목적.
• 생성 분수 비 f_s/f_u, f_s/f_d 및 관련 관측치를 결정하여 hadronization 모델을 제약하고자 함.
• 여러 채널을 활용해 측정치를 정밀하게 얻고 open-charm 및 charmonium 프로브 간 일관성을 교차 확인하려는 목적.
• 가능한 경우 측정된 비율에 대한 절대 정규화를 제공하려는 목표.

제안 방법

• open-charm 및 charmonium decay channels를 B_s, B_u, B_d 생산 분수의 프로브로 사용.
• center-of-mass 에너지 13 TeV의 프로톤-프로톤 충돌 데이터를 분석하여 fragmentation fractions를 추출.
• 여러 채널의 정보를 결합해 f_s/f_u, f_s/f_d, R_s, R_s^d 및 그 절대 정규화를 형성하고 정규화함.
• 각 측정에 사용된 채널과 그에 대응하는 open-charm 또는 charmonium 프로브의 포함 여부를 보고함.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 13 TeV에서 측정된 생산 분수 비 f_s/f_u, f_s/f_d 및 그 불확실성은 무엇인가?
• RQ2 데이터로부터 도출된 R_s 및 R_s^d의 값은 무엇이며 채널 간에 어떻게 비교되는가?
• RQ3 open-charm 및 charmonium 붕괴 프로브가 B 메손 면 분수 결정에 어떻게 보완되는가?
• RQ4 측정된 비율에 대해 달성 가능한 절대 정규화는 무엇이며 어떻게 결정되는가?
• RQ5 결과가 서로 다른 붕괴 채널 및 프로브 간에 일치하는가?

주요 결과

• The study reports measurements of B meson production fraction ratios f_s/f_u and f_s/f_d.
• The work also determines the observables R_s and R_s^d (and their normalizations) using the combined channels.
• Open-charm and charmonium probes are employed to extract the fragmentation fractions.
• The paper summarizes which decay channels contribute to each measurement and how the channels are combined for normalization.