[논문 리뷰] Search for New Physics in the B0s mixing phase at CDF

D. Tonelli|arXiv (Cornell University)|2008. 10. 17.

Particle physics theoretical and experimental studies참고 문헌 24인용 수 5

한 줄 요약

이 논문은 테바트론에서의 시간에 따라 변화하는 $B^0_s \to J/\psi\phi$ 붕괴를 이용해 $B^0_s$ 혼합 위상 $\beta_{s}^{J/\psi\phi}$의 최초 측정을 제시하며, 표준모형을 초월한 CP 위반을 탐색한다. 2.8 fb$^{-1}$의 데이터로, 표준모형 예측($\beta_{s}^{J/\psi\phi} \approx 0.02$)에서 1.8$\sigma$의 편차가 관측되었으며, 68% 신뢰수준 허용 영역은 $0.28 < \beta_{s}^{J/\psi\phi} < 1.29$로, 새로운 물리학을 시사하는 지속적인 긴장 상태를 나타낸다.

ABSTRACT

The Collider Detector at Fermilab (CDF) experiment performed the first measurement of the time-evolution of flavor-tagged B0s-&gt;J/psiphi decays, which probes mixing-induced CP-violation in the B0s sector. Any sizable deviation from zero of the phase beta_s, accessible through interference of the bbar o cbar c sbar quark-level process accompanied or not by B0s-aB0s mixing, would be unambiguous indication of physics beyond the Standard Model. I report CDF results obtained in 1.35/fb, a recent extension to a larger dataset corresponding to 2.8/fb, and future projections.

연구 동기 및 목표

• 표준모형을 초월한 $B^0_s$ 시스템에서의 CP 위반 탐색을 위한 $B^0_s$ 혼합 위상 $\beta_{s}^{J/\psi\phi}$ 측정.
• 표준모형 예측($\beta_{s}^{\text{SM}} \approx 0.02$)에서의 편차를 탐색하여 $B^0_s$ 혼합에서 새로운 물리학의 신호를 찾기.
• 진동 주파수 측정만으로는 여전히 제약을 받지 않는 $B^0_s$ 혼합 진폭의 위상을 제약하기.
• 다양한 트리거에서의 데이터 조합과 입자 식별 및 플레이버 태깅의 정밀화를 통해 새로운 물리학에 대한 민감도 향상.

제안 방법

• 테바트론에서의 $p\bar{p}$ 충돌 데이터 1.35 fb$^{-1}$에서 시작하여 이후 2.8 fb$^{-1}$로 확장하여 $B^0_s \to J/\psi(\to \mu^+\mu^-)\phi(\to K^+K^-)$ 붕괴를 재구성.
• 고순도로 $J/\psi$ 및 $\phi$ 붕괴 생성물을 식별하기 위해 트래킹, 뮤온 탐지, $dE/dx$, 시간 도달 측정(TOF)을 조합.
• 운동량 및 PID 변수를 사용하여 신호 및 사이드밴드 샘플에 기반한 인공 신경망을 훈련하여 신호 대 배경 비율을 최적화.
• 체계적 불확실성을 부가 매개변수 프로파일링을 통해 고려하면서, $\beta_{s}^{J/\psi\phi}$–$\Delta\Gamma$ 평면에서 이중 차원 신뢰도 스캔을 수행.
• 체계적 변동에 대한 강건성을 확보하기 위해, 베이지안 접근법을 사용하여 27차원의 신뢰 영역을 2차원 윤곽선으로 투영.
• 미래의 데이터 런에서 6 fb$^{-1}$ 또는 8 fb$^{-1}$의 데이터를 가정하여, 시뮬레이션된 가짜 실험을 사용해 발견 잠재력 예측.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 표준모형 예측값인 $\approx 0.02$에서 $\beta_{s}^{J/\psi\phi}$의 측정 가능한 편차가 존재하는가?
• RQ2 현재는 주로 주파수만 알려져 있으므로, $B^0_s$ 혼합 주파수 측정만으로는 제약을 받지 않는 $B^0_s$ 혼합 위상을 독립적으로 제약할 수 있는가?
• RQ3 CDF와 DØ 분석 간에 독립적으로 관측된 $\beta_{s}^{J/\psi\phi}$의 변동성이 일관된 새로운 물리학 신호를 시사하는가?
• RQ4 6 fb$^{-1}$ 또는 8 fb$^{-1}$의 미래 데이터 런에서 표준모형을 $5\sigma$로 배제할 수 있는 CDF 실험의 기대 민감도는 얼마인가?

주요 결과

• 1.35 fb$^{-1}$ 데이터 분석에서 $\beta_{s}^{J/\psi\phi}$는 표준모형 예측에서 1.5$\sigma$의 변동을 보였으며, 68% 신뢰수준 허용 영역은 $0.16 < \beta_{s}^{J/\psi\phi} < 1.41^{}$이었다.
• 2.8 fb$^{-1}$로 확장한 후, 편차의 유의수준은 1.8$\sigma$로 증가하였고, 68% 신뢰수준 범위는 좁혀져 $0.28 < \beta_{s}^{J/\psi\phi} < 1.29$가 되었다.
• DØ 협동 연구팀도 유사한 변동을 독립적으로 관측하였으며, CDF와의 조합 분석 결과 표준모형에서 $2.2\sigma$의 편차를 보였고, 68% 신뢰수준 범위는 $\beta_{s}^{J/\psi\phi} \in [0.24, 0.57] \cup [0.99, 1.33]$였다.
• 우리가 관측한 이중 대칭성은 $\Delta\Gamma > 0$ 및 $\Delta\Gamma < 0$ 해를 가지며, $(\pi/4, 0)$를 중심으로 대칭되는 두 개의 허용 영역을 나타낸다.
• 6 fb$^{-1}$ 또는 8 fb$^{-1}$의 데이터를 가정한 외삽 분석 결과, 진짜 $\beta_{s}^{J/\psi\phi}$ 값이 관측된 범위 내에 있다면 $5\sigma$ 표준모형 배제 가능성이 50%를 초과할 것으로 예상된다.
• 현재의 불확실성 범위 내에서는 결과가 표준모형과 일치하지만, 독립된 실험들 사이에서 지속적으로 같은 방향의 변동이 관측됨에 따라, 풀 데이터셋으로서의 확인을 기다리는 잠재적 새로운 물리학 신호일 가능성이 있다.