[논문 리뷰] Measurement of the CP violation phase $\phi_s$ in the $B_s$ system at LHCb

G. Raven|arXiv (Cornell University)|2012. 12. 01.

Particle physics theoretical and experimental studies인용 수 3

한 줄 요약

이 논문은 LHC 런 1 데이터 1 fb⁻¹를 사용하여 √s = 7 TeV에서 B0s→J/ψK+K− 및 B0s→J/ψπ+π− 붕괴 채널에서 CP 위반 위상 φs에 대한 가장 정밀한 직접 측정을 제시한다. 시간에 따라 변화하는 각도 분석을 수행하고 두 붕괴 모드의 결과를 조합함으로써, LHCb는 φs = −0.002 ± 0.083(통계) ± 0.027(계측) rad를 측정하였으며, 이는 표준모형과 일치하며 ∆Γs의 비제로 값에 대한 첫 번째 직접 관측이다.

ABSTRACT

The interference between Bs decay amplitudes to CP eigenstates Jpsi X directly or including Bs-Bsbar oscillation gives rise to a measurable CP violating phase phi_s. Here, a preliminary measurement of phi_s with Bs -> JpsiK+K- decays, and the measurement using Bs->Jpsipi+pi- decays, both obtained from a sample of 1/fb of pp collisions, collected by the LHCb experiment at a centre-of-mass energy sqrt{s}=7 TeV during 2011, are presented. In addition, the determination of the branching fraction and polarization fractions of Bs->JpsiKstbar, which can be used to constrain the contribution of sub-leading penguin contributions to the decay Bs->Jpsi phi, is shown.

연구 동기 및 목표

• 표준모형을 시험하기 위해 B0s 시스템에서 CP 위반 위상 φs를 고정밀도로 측정하는 것이 주요 목적이다.
• K+K− 시스템의 각도 분석을 통해 φs와 ∆Γs의 이중성 불확실성을 해결하는 것이 목적이다.
• B0s→J/ψK∗0에서 분해율과 편광 분율을 측정함으로써 펜던트 기여의 역할을 조사하는 것이 목적이다.
• B0s→J/ψK∗0 채널을 통해 B0s→J/ψφ 붕괴에 대한 보조 펜던트 기여를 제약하는 것이 목적이다.
• 이 작업은 붕괴 폭 차이 ∆Γs에 대한 직접 결정을 제공하며, 이 파arameter의 비제로 값에 대한 첫 번째 직접 관측을 기록한다.

제안 방법

• B0s→J/ψK+K− 후보자의 인variant 질량, 붕괴 시간, 初기 b-플레버, 붕괴 각도로부터 φs를 추출하기 위해 비구속 최대우도 추정법을 사용한다.
• J/ψ 및 K+K− 시스템의 각도 분포를 모델링함으로써 CP-짝성 및 CP-홀성 성분을 분리하며, P-파 및 S-파 기여를 포함한다.
• 붕괴 시간 해상도는 J/ψ→μ+μ− 배경에서 유도된 1.45 ± 0.06의 비율로 스케일링된 가우시안과 PDF를 콘볼루션하여 고려한다.
• 고운동량 뮤온, 전자 및 카이온을 사용하여 플레버 태깅을 수행하며, B+→J/ψK+ 붕괴를 통해 오류 태깅 확률를 校정하여 효과적 태깅 능력을 Q = 2.29%로 산정한다.
• B0s→J/ψπ+π−의 경우, π+π− 시스템이 >97.7% CP-홀성임을 고려하여 각도 분해를 생략할 수 있다.
• 두 붕괴 모드는 동시에 피팅하여, K+K− 질량에 따라 P-파 및 S-파 진폭 간 상대 위상의 변화를 이용해 φs–∆Γs의 이중성 불확실성을 해결한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 B0s 시스템에서 CP 위반 위상 φs의 정밀한 값은 무엇이며, 표준모형 예측과 어떻게 비교되는가?
• RQ2 붕괴 폭 차이 ∆Γs의 측정된 값은 무엇이며, 표준모형 예측과 일치하는 비제로 값인가?
• RQ3 펜던트 기여가 B0s→J/ψK+K− 붕괴에서 측정된 비대칭성에 어느 정도 영향을 미치며, B0s→J/ψK∗0를 통해 제약을 가질 수 있는가?
• RQ4 각도 및 질량에 따라 변화하는 관측량을 통해 (φs, ∆Γs)의 이중성 불확실성을 어떻게 해결할 수 있는가?
• RQ5 B0s→J/ψK∗0의 편광 분율과 분해율은 무엇이며, 이는 강입자 행렬원소에 대해 어떤 정보를 제공하는가?

주요 결과

• B0s→J/ψK+K− 및 B0s→J/ψπ+π−에서의 φs 측정 결과를 종합한 결과 φs = −0.002 ± 0.083(통계) ± 0.027(계측) rad를 얻었으며, 이는 세계에서 가장 정밀한 직접 측정 결과이다.
• 이 값은 표준모형 예측인 φSMs ≈ −2βs ≈ 0 rad와 일치하며, 68% 신뢰수준 구간이 0을 포함한다.
• 붕괴 폭 Γs는 0.6580 ± 0.0054(통계) ± 0.0066(계측) ps⁻¹로 측정되었으며, 폭 차이 ∆Γs는 0.116 ± 0.018(통계) ± 0.006(계측) ps⁻¹로 측정되었다.
• 이 분석은 ∆Γs의 비제로 값에 대한 첫 번째 직접 관측을 제공하며, 측정된 값이 상당히 0보다 크다는 것이 확인되었다.
• B0s→J/ψK∗0(892)의 분해율은 (4.4+0.5−0.4 ± 0.8) × 10⁻⁵로 측정되었으며, 편광 분율은 fL = 0.50 ± 0.08 ± 0.02 및 f∥ = 0.19+0.10−0.08 ± 0.02로 측정되었다.
• φs에 대한 계측 불확실성은 부정확한 각도 수용도와 잠재적 직접 CP 위반 효과에 기인하며, 후자가 총 불확실성의 가장 큰 기여 요소이다.