[논문 리뷰] Measurement of lepton universality parameters in $B^+ o K^+\ell^+\ell^-$ and $B^0 o K^{*0}\ell^+\ell^-$ decays

LHCb Collaboration, Aaij, R.외 1062명|arXiv (Cornell University)|2022. 01. 01.

Particle physics theoretical and experimental studies인용 수 14

한 줄 요약

이 논문은 2011–2018년 동안 LHCb에서 확보한 9 fb⁻¹의 데이터를 바탕으로 B⁺→K⁺ℓ⁺ℓ⁻ 및 B⁰→K*⁰ℓ⁺ℓ⁻ 붕괴에서 렙톤 대칭성(LU)을 동시에 측정한 최초의 결과를 제시한다. 엄격한 입자 식별 및 다변량 선택 기준을 적용함으로써 신호 순도를 높이고 통계적 민감도를 향상시켜, 두 개의 q² 간격에서 RK 및 RK* 값이 표준모형과 일치하며 이전 LHCb 측정치를 초월하는 결과를 도출하였다.

ABSTRACT

A simultaneous analysis of the $B^+ o K^+\ell^+\ell^-$ and $B^0 o K^{*0}\ell^+\ell^-$ decays is performed to test muon-electron universality in two ranges of the square of the dilepton invariant mass, $q^2$. The measurement uses a sample of beauty meson decays produced in proton-proton collisions collected with the LHCb detector between 2011 and 2018, corresponding to an integrated luminosity of $9$ $ ext{fb}^{-1}$. A sequence of multivariate selections and strict particle identification requirements produce a higher signal purity and a better statistical sensitivity per unit luminosity than previous LHCb lepton universality tests using the same decay modes. Residual backgrounds due to misidentified hadronic decays are studied using data and included in the fit model. Each of the four lepton universality measurements reported is either the first in the given $q^2$ interval or supersedes previous LHCb measurements. The results are compatible with the predictions of the Standard Model.

연구 동기 및 목표

• B⁺→K⁺ℓ⁺ℓ⁻ 및 B⁰→K*⁰ℓ⁺ℓ⁻ 모드를 동시에 분석하여 희귀한 b→sℓ⁺ℓ⁻ 붕괴에서 뮤온-전자 렙톤 대칭성을 보다 정밀하게 테스트하는 것.
• 데이터로부터 잔류된 오식별된 화학성 배경을 직접 모델링함으로써 체계적 불확실성을 감소시키고, 이전 LHCb 연구를 초월한 더 높은 신호 순도를 확보하는 것.
• 최적화된 트리거 전략 및 더 엄격한 입자 식별을 통해 단위 루미노사티의 통계적 민감도를 향상시켜 이전 LHCb 측정치를 초월하는 것.
• 개선된 배경 모델링에 기인한 체계적 이완의 정량화를 위해 가짜 실험을 수행하고 교차검증을 통해 분석의 강건성을 검증하는 것.
• 두 개의 q² 간격(저- 및 중심-q²)에서 RK 및 RK*의 가장 정밀한 측정치를 제공하여 표준모형에 대한 영향 없는 검증(null test)을 수행하는 것.

제안 방법

• √s = 7, 8, 13 TeV에서의 pp 충돌 데이터 9 fb⁻¹를 이용하여 B⁺ 및 B⁰ 붕괴의 진동 질량 분포에 대해 동시에 unbinned 확장 최대우도 추정을 수행하는 것.
• 오식별 및 부분적으로 재구성된 배경을 억제하기 위해 다변량 선택 기준과 엄격한 입자 식별(PID) 조건을 적용하는 것.
• 검출기 보정 인자를 결정하기 위해 B→K*J/ψ 붕괴(여기서 J/ψ→ℓ⁺ℓ⁻)를 정규화 채널로 사용하여 B⁺ 및 B⁰ 모드 간 일관성을 확보하는 것.
• 데이터로부터 잔류 오식별 배경(예: K→μ, π→μ)을 직접 추정하고 피팅 모델에 포함시켜 체계적 불확실성 제어를 향상시키는 것.
• 제어 샘플과 데이터 기반 방법으로 유도된 효율 보정을 사용하여 시뮬레이션의 보정을 수행하여 검출기 효과의 정확한 모델링을 확보하는 것.
• 개선된 PID 및 배경 모델링에 기인한 체계적 이완의 정량화를 위해 가짜 실험을 사용하는 것. 특히 전자 모드 배경에 대한 영향을 중심으로 분석하는 것.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 B⁺→K⁺ℓ⁺ℓ⁻ 붕괴에서 저-q²(0.1–1.1 GeV²/c⁴) 및 중심-q²(1.1–6.0 GeV²/c⁴) 영역에서 렙톤 대칭성 비율 RK의 값은 얼마인가요?
• RQ2 동일한 q² 영역에서 RK*의 측정치는 표준모형 예측 및 이전 LHCb 결과와 어떻게 비교되나요?
• RQ3 향상된 입자 식별 및 배경 모델링은 이전 LHCb LU 측정치에 비해 체계적 불확실성을 얼마나 감소시키나요?
• RQ4 통계적 및 체계적 불확실성의 조합 영역 내에서 측정된 RK 및 RK* 값은 표준모형과 일치합니까?
• RQ5 B⁺ 및 B⁰ 붕괴의 동시에 분석은 독립적 측정치에 비해 상관관계를 감소시키고 민감도를 향상시키나요?

주요 결과

• 저-q² 영역에서 측정된 RK의 값은 0.994⁺⁰.⁰⁹⁰₋₀.⁰⁸² (통계) ⁺⁰.⁰²⁹₋₀.⁰²⁷ (체계적)이며, 표준모형 예측값 0.9936과 일치한다.
• 중심-q² 영역에서의 RK 값은 0.949⁺⁰.⁰⁴²₋₀.⁰⁴¹ (통계) ⁺⁰.⁰²²₋₀.⁰²² (체계적)이며, 이전 LHCb 결과에 비해 표준모형 예측값으로의 이격이 감소한 것으로 나타났다.
• 저-q² 영역에서의 RK* 값은 0.927⁺⁰.⁰⁹³₋₀.⁰⁸⁷ (통계) ⁺⁰.⁰³⁶₋₀.⁰³⁵ (체계적)이며, 중심-q² 영역에서는 1.027⁺⁰.⁰⁷²₋₀.⁰⁶⁸ (통계) ⁺⁰.⁰²⁷₋₀.⁰²⁶ (체계적)이다. 두 영역 모두 표준모형 예측값 0.9832 및 0.9964와 일치한다.
• 모든 네 개의 측정치가 표준모형과의 일치성을 카이제곱 검정을 통해 평가한 결과, p-값은 0.812이며 유의수준은 0.2 표준편차로, 새로운 물리학에 대한 증거는 없음을 시사한다.
• RK 및 RK*의 체계적 이완은 주로 개선된 오식별 화학성 배경 처리 및 더 엄격한 PID 조건에 기인하며, 이전 결과 대비 RK의 총 체계적 이완은 0.064이다.
• 이 새로운 측정치는 RK(중심-q²), RK*(저- 및 중심-q²)에 대해 이전 LHCb 결과를 초월하며, RK의 저-q² 영역에서 최초의 측정치이다.