[논문 리뷰] Search for the radiative leptonic decay B+ --> gamma l+ nu

B. Aubert|arXiv (Cornell University)|2007. 04. 11.

Particle physics theoretical and experimental studies인용 수 6

한 줄 요약

이 연구는 BaBar 검출기로 23200만 개의 $B\bar{B}$ 쌍을 $\Upsilon(4S)$ 공진우에서 쌓아 올린 자료를 사용하여 희귀한 복사 렙톤 붕괴 $B^+ \to \gamma \ell^+ \bar{\nu}_\ell$ 를 탐색한다. 측정된 부분 브랜치링 분획은 $(-0.3^{+1.3}_{-1.5} \pm 0.6 \pm 0.1) \times 10^{-6}$ 이며, 평탄한 진폭 사전 확률을 가정할 경우 90% 신뢰구간 상한은 $1.7 \times 10^{-6}$ 로, 이는 맛이 변화하는 중성 전류 과정에 대한 엄격한 제약 조건을 제공한다.

ABSTRACT

We present the results of a search for $B^{+} o\gamma \ell^{+} u_{\ell}$, where $\ell = e, \mu$. We use a sample of 232 million $B\bar{B}$ pairs recorded at the $\Upsilon(4S)$ with the BaBar detector at the PEP-II $B$ Factory. We measure a partial branching fraction $\Delta\mathcal{B}$ in a restricted region of phase space that reduces the effect of theoretical uncertainties, requiring the lepton energy to be between 1.875 and 2.850GeV, the photon energy to be between 0.45 and 2.35GeV, and the cosine of the angle between the lepton and photon momenta to be less than -0.36, with all quantities computed in the $\Upsilon(4S)$ center-of-mass frame. We find $\Delta\mathcal{B}(B^{+} o\gamma \ell^{+} u_{\ell}) = (-0.3^{+1.3}_{-1.5} ({stat}) \pm 0.6 ({syst}) \pm 0.1 ({th})) imes 10^{-6}$, assuming lepton universality. Interpreted as a 90% C.L. Bayesian upper limit, the result corresponds to $1.7 imes10^{-6}$ for a prior flat in amplitude, and $2.3 imes10^{-6}$ for a prior flat in branching fraction.

연구 동기 및 목표

• 표준 모델을 초월한 물리학을 탐색하기 위한 희귀한 복사 렙톤 붕괴 $B^+ \to \gamma \ell^+ \bar{\nu}_\ell$ 의 탐색.
• 운동역학 영역을 잘 정의된 영역으로 제한함으로써 이론적 불확실성을 줄이기.
• 붕괴 진폭이 비양자역학적 QCD 효과에 덜 민감한 영역에서 부분 브랜치링 분획 측정.
• $\ell = e, \mu$ 에 대해 동일한 결합을 가정함으로써 $B^+$ 붕괴에서 렙톤 대칭성의 검증.

제안 방법

• PEP-II의 $\Upsilon(4S)$ 공진우에서 BaBar 검출기를 사용해 수집한 23200만 개의 $B\bar{B}$ 쌍의 데이터.
• $\Upsilon(4S)$ 중심질량 프레임에서 렙톤 에너지 1.875에서 2.850 GeV, 광자 에너지 0.45에서 2.35 GeV, $\cos\theta_{\ell\gamma} < -0.36$ 를 요구하는 운동역학적 선택 조건.
• 두 가지 다른 사전 확률(진폭에 대해 평탄하고, 브랜치링 분획에 대해 평탄함)을 사용한 베이지안 분석으로 상한 유도.
• 선택 기준과 검출기 응답 모델의 변화를 통해 시스템적 불확실성 평가.
• 이론적 형태 요인과 강한 상호작용에 대한 의존도를 최소화하기 위해 제한된 운동역학 영역에서 부분 브랜치링 분획 추출.
• 렙톤 대칭성 가정을 적용하여 분석에서 $e$ 와 $\mu$ 최종 상태를 통합.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 잘 정의된 운동역학 영역에서 희귀 붕괴 $B^+ \to \gamma \ell^+ \bar{\nu}_\ell$ 의 부분 브랜치링 분획은 무엇인가?
• RQ2 측정된 붕괴율은 이 맛이 변화하는 중성 전류 과정에 대해 표준 모델 예측과 어떻게 비교되는가?
• RQ3 다양한 베이지안 사전 확률을 사용할 경우 브랜치링 분획의 상한은 무엇이며, 그 결과 해석에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ4 이 붕괴 모드를 통해 데이터는 렙톤 대칭성에 얼마나 잘 부합하는가?
• RQ5 비양자역학적 QCD 효과에서 기인하는 이론적 불확실성은 신호 해석에 어떤 영향을 미치는가?

주요 결과

• 측정된 부분 브랜치링 분획은 $(-0.3^{+1.3}_{-1.5} \text{ (통계)} \pm 0.6 \text{ (시스템)} \pm 0.1 \text{ (이론)}) \times 10^{-6}$ 로, 0과 일치한다.
• 진폭에 평탄한 사전 확률을 가정할 경우 90% 신뢰구간 베이지안 상한은 $1.7 \times 10^{-6}$ 이다.
• 브랜치링 분획에 평탄한 사전 확률을 사용할 경우 상한은 $2.3 \times 10^{-6}$ 로 증가한다.
• 결과는 이 희귀 붕괴 모드에 대해 표준 모델 예측과 일치한다.
• 고에너지 렙톤과 광자를 가진 배경 대향 기하 구조로 운동역학 영역을 제한함으로써 이론적 불확실성이 크게 감소함을 보여준다.
• 유의미한 신호는 관측되지 않았으며, 상한은 이 붕괴에 대한 새로운 물리학 기여에 엄격한 제약 조건을 제공한다.