[논문 리뷰] Search for Rare Decays of D0 Mesons into Two Muons

LHCb collaboration, Aaij, R.외 1071명|arXiv (Cornell University)|2022. 01. 01.

Particle physics theoretical and experimental studies인용 수 4

한 줄 요약

이 논문은 √s = 7, 8, 13 TeV에서의 양성자-양성자 충돌 데이터 9 fb⁻¹를 사용하여 희귀한 D⁰ → μ⁺μ⁻ 붕괴를 탐색한다. D*⁺ → D⁰π⁺ 붕괴를 분석하고 배경을 억제하기 위해 고급 다변량 기법을 적용함으로써, 이 연구는 브랜치 비율에 대해 세계에서 가장 엄격한 상한선을 설정한다: 90% 신뢰수준에서 B(D⁰ → μ⁺μ⁻) < 3.1 × 10⁻⁹로, 이는 표준모형을 초월한 새로운 물리 모델을 상당히 제약한다.

ABSTRACT

A search for the very rare $D^0 o μ^+μ^-$ decay is performed using data collected by the LHCb experiment in proton-proton collisions at $\sqrt{s} = 7$, 8 and $13~ m{TeV}$, corresponding to an integrated luminosity of $9~ m{fb^{-1}}$. The search is optimised for $D^0$ mesons from $D^{\ast+} o D^0π^+$ decays but is also sensitive to $D^0$ mesons from other sources. No evidence for an excess of events over the expected background is observed. An upper limit on the branching fraction of this decay is set at $\mathcal{B}(D^0 o μ^+μ^-) &lt; 3.1 imes 10^{-9}$ at a $90\%$ CL. This represents the world's most stringent limit, constraining models of physics beyond the Standard Model.

연구 동기 및 목표

• 희귀한 D⁰ → μ⁺μ⁻ 붕괴를 탐색하는 것, 이는 표준모형에서 매우 억제된 플레버 변화 중성자 전류 과정이다.
• 이 브랜치 비율의 더 엄격한 상한선을 설정함으로써 표준모형을 초월한 새로운 물리의 민감도를 향상시키는 것.
• LHC의 런 1과 런 2 데이터를 모두 활용하여 총 9 fb⁻¹의 데이터를 확보함으로써 통계적 능력과 배경 억제 능력을 향상시키는 것.
• 런 2에서 높아진 루미노시티와 에너지로 인한 증가한 배경을 보완하기 위해 개선된 다변량 분석 및 트리거 최적화를 적용하는 것.
• 특히 렙토크워크, R-대칭 위반 초대칭, 벡터형 페르미온을 포함한 표준모형을 초월한 물리 모델을 제약하는 것.

제안 방법

• 신호 대 배경 비율을 향상시키기 위해 D*⁺ → D⁰π⁺ 붕괴에 초점을 맞추며, D⁰ 후보 질량과 D*⁺–D⁰ 질량 차이(∆m)를 핵심 운동량 변수로 사용한다.
• 이차원 피팅을 통해 두 무거운 이온의 상대 질량(m(μ⁺μ⁻)))와 ∆m 분포를 분석하여 신호 수확량을 추출한다.
• 신호 수확량은 D⁰ → K⁻π⁺와 D⁰ → π⁺π⁻와 같은 두 가지 하드론성 D⁰ 붕괴를 동시에 선택하여 체계적 오차를 줄인다.
• 조합 배경 및 잘못 식별된 배경을 억제하기 위해 다변량 기법, 특히 BDT(강화된 결정 트리) 분류기를 사용한다.
• 체계적 오차는 피팅에 가우시안 제약 조건으로 포함되며, 주요 기여는 하드론성 트리거 효율 캘리브레이션에서 비롯된다.
• 90% 및 95% 신뢰수준에서 브랜치 비율의 상한선을 설정하기 위해 GammaCombo 프레임워크 내에서 CLs 신뢰구간 방법을 적용한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 9 fb⁻¹의 LHC 데이터를 사용하여 희귀한 D⁰ → μ⁺μ⁻ 붕괴의 브랜치 비율에 대해 세계에서 가장 엄격한 상한선은 무엇인가?
• RQ2 런 2에서 다변량 분석 및 트리거 효율성 향상으로 인해 희귀한 D⁰ 붕괴에 대한 민감도는 어떻게 향상되는가?
• RQ3 D⁰ → μ⁺μ⁻ 붕괴율은 렙토크워크나 R-대칭 위반 초대칭과 같은 새로운 물리 모델을 어느 정도 제약하는가?
• RQ4 관측된 신호의 유의도는 배경만 존재할 경우의 기대값과 비교해 볼 때 어떻게 되며, 이는 새로운 물리 신호에 대해 어떤 함의를 갖는가?
• RQ5 특히 트리거 효율성과 배경 모델링에 기인한 체계적 오차는 최종 브랜치 비율 상한선에 어떤 영향을 미치는가?

주요 결과

• D⁰ → μ⁺μ⁻의 관측된 브랜치 비율은 B(D⁰ → μ⁺μ⁻) = (1.7 ± 1.0) × 10⁻⁹이며, 이는 79 ± 45개의 신호 사건에 해당한다.
• 신호의 유의도는 1.5σ이며, p-값은 0.068로 배경만 존재할 경우를 초월하는 유의미한 초과는 관측되지 않았다.
• 90% 신뢰수준에서 B(D⁰ → μ⁺μ⁻) < 3.1 × 10⁻⁹의 상한선이 설정되었으며, 이는 이전 LHCb 상한선보다 두 배 이상 향상된 것이다.
• 배경만 존재할 경우의 기대 상한선은 90% CL에서 1.9 × 10⁻⁹로, 관측된 상한선과 일치한다.
• 결과는 표준모형을 초월한 물리 모델, 특히 채르미 섹터에서 플레버 변화 중성자 전류가 증가할 것으로 예측하는 모델을 제약한다.
• 배경 모델링의 변화(해상도 함수 및 피팅 범위의 변화 포함)에 대해 결과가 안정함을 확인하여 상한선의 강인성을 입증한다.