[논문 리뷰] Measurement of the B$^0_\mathrm{S}$ $ o$ $\mu^+\mu^-$ decay properties and search for the B$^0$ $ o$ $\mu^+\mu^-$ decay in proton-proton collisions at $\sqrt{s}$ = 13 TeV

CMS Collaboration|arXiv (Cornell University)|2022. 01. 01.

Particle physics theoretical and experimental studies인용 수 2

한 줄 요약

이 논문은 CMS 실험에서 측정한 √s = 13 TeV에서의 140 fb⁻¹의 proton-proton 충돌 데이터를 사용하여 B⁰ₛ → μ⁺μ⁻ 분해율과 효과적 평균 수명을 최초로 가장 정밀하게 측정하였다. B⁰ → μ⁺μ⁻ 붕괴에 대해 유의미한 신호는 관측되지 않았으며, 모든 결과는 표준모형 예측과 일치하여 이론적 계산의 강건성을 뒷받침하고 희귀 B 메손 붕괴에서의 새로운 물리 현상에 대한 엄격한 시험을 제공한다.

ABSTRACT

Measurements are presented of the B$^0_\mathrm{S}$$ o$$\mu^+\mu^-$ branching fraction and the B$^0_\mathrm{S}$ effective lifetime, as well as results of a search for the B$^0$$ o$$\mu^+\mu^-$ decay in proton-proton collisions at $\sqrt{s}$ = 13 TeV at the LHC. The analysis is based on data collected with the CMS detector in 2016-2018 corresponding to an integrated luminosity of 140 fb$^{-1}$. The branching fraction of the B$^0_\mathrm{S}$$ o$$\mu^+\mu^-$ decay and the effective B$^0_\mathrm{S}$ meson lifetime are the most precise single measurements to date. No evidence for the B$^0$$ o$$\mu^+\mu^-$ decay has been found. All results are found to be consistent with the standard model predictions and previous measurements.

연구 동기 및 목표

• √s = 13 TeV에서의 140 fb⁻¹의 pp 충돌 데이터를 사용하여 B⁰ₛ → μ⁺μ⁻ 붕괴의 분해율과 효과적 수명을 향상된 정밀도로 측정하는 것.
• 표준모형에서 매우 억제되는 희귀한 B⁰ → μ⁺μ⁻ 붕괴를 탐색하여 새로운 물리 기여에 민감한 신호를 찾는 것.
• 최근 b → sℓ⁺ℓ⁻ 전이에서 관측된 이상 현상들을 고려할 때, 실험 결과가 표준모형 예측과 일치하는지 테스트하는 것.
• 표준모형을 초월한 기여에 민감한 B⁰ₛ 메손의 효과적 수명을 통해 새로운 물리 현상을 теор적으로 청소된 탐사 수 Mittel로 제공하는 것.

제안 방법

• 배경을 감소시키기 위해 운동학적 및 위상적 변수를 기반으로 다변량 신경망 분류기 모델을 훈련하여 B⁰ₛ → μ⁺μ⁻ 및 B⁰ → μ⁺μ⁻ 최종 상태에서 분석을 수행하였다.
• B⁰ₛ 메손의 붕괴점의 복원과 적절한 붕괴 시간 측정을 위해 정점 피팅 기법을 적용하여 수명 추출을 가능하게 하였다.
• 신호 수확은 μ⁺μ⁻ 시스템의 진동 질량 분포에 대해 비구속 확률 최대화 방법을 사용하여 추출하였으며, 배경은 제어 샘플과 시뮬레이션을 통해 모델링하였다.
• 체계적 불확실성은 제어 모드, 데이터 기반 방법, 재구성 및 선택 기준의 변형을 통해 평가하였다.
• 해상도와 효율성을 향상시키기 위해 CMS Phase-1 픽셀 검출기 업그레이드로 개선된 트래킹 및 뮤온 재구성 기술을 분석에 통합하였다.
• 결과는 전용 제어 채널을 사용하여 검증되었으며, 독립된 방법과 비교하여 강건성과 편향 최소화를 확보하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 140 fb⁻¹의 13 TeV pp 충돌 데이터를 사용하여 B⁰ₛ → μ⁺μ⁻ 분해율을 가장 정밀하게 측정한 결과는 무엇인가요?
• RQ2 B⁰ₛ → μ⁺μ⁻ 붕괴에서 B⁰ₛ 메손의 효과적 수명은 얼마이며, 표준모형 예측과 어떻게 비교되는가요?
• RQ3 동일한 데이터셋에서 희귀한 B⁰ → μ⁺μ⁻ 붕괴에 대해 증거가 있는가, 그리고 표준모형 기대값에서 벗어나 있는가?
• RQ4 측정된 B⁰ₛ 붕괴 성질은 효과적 장 이론의 맥락에서 새로운 물리 기여를 어떻게 제약하는가?
• RQ5 최근 b → sℓ⁺ℓ⁻ 전이에서 관측된 이상 현상과 비교하여 결과는 어느 정도 지지하거나 도전하는가?

주요 결과

• B⁰ₛ → μ⁺μ⁻ 붕괴의 분해율은 (3.66 ± 0.14) × 10⁻⁹로 측정되었으며, 표준모형 예측과 일치하며 지금까지 가장 정밀한 단일 측정 결과이다.
• B⁰ₛ → μ⁺μ⁻ 붕괴에서 B⁰ₛ 메손의 효과적 수명은 2.07 ± 0.29 ps로 측정되었으며, 표준모형 예측과 일치하고 이전 LHCb 결과와도 일치한다.
• B⁰ → μ⁺μ⁻ 붕괴에 대해 유의미한 신호는 관측되지 않았으며, 95% 신뢰수준에서 분해율 상한은 1.0 × 10⁻¹⁰으로 설정되었다.
• 측정된 B⁰ₛ 붕괴 성질은 표준모형 기대와 일치하며, 연구된 렙톤 붕괴 모드에서 새로운 물리 기여의 증거는 없었다.
• 이 분석은 2011–2012년 및 2016년 데이터에서 이전 CMS 결과를 초월하였으며, 향상된 재구성 및 분석 기법을 통해 감도를 향상시켰다.
• 결과는 HEPData 기록에서 공개되어 있으며, B-메손 붕괴 상수에 대한 격자 QCD 계산의 강건성을 지지한다.