[논문 리뷰] Search for the rare hadronic decay $B_s^0 o p \bar{p}$

LHCb collaboration, Abdelmotteleb, Ahmed Sameh Wagih외 1016명|arXiv (Cornell University)|2022. 01. 01.

Particle physics theoretical and experimental studies인용 수 2

한 줄 요약

이 논문은 LHCb 실험에서 측정한 $\sqrt{s} = 13$ TeV에서의 6 fb$^{-1}$의 양성자-양성자 충돌 데이터를 사용하여 희귀한 해드론성 붕괴 $B_s^0 \to \bar{p}p$ 를 탐색한다. 신호는 관측되지 않았으며, 90% 신뢰수준에서 $B(B_s^0 \to \bar{p}p) < 4.4 \times 10^{-9}$의 상한선이 설정되었으며, 이는 현재까지 세계에서 가장 엄격한 제약 조건이다.

ABSTRACT

A search for the rare hadronic decay $B_s^0 o p \bar{p}$ is performed using proton-proton collision data recorded by the LHCb experiment at a center-of-mass energy of 13 TeV, corresponding to an integrated luminosity of 6 fb$^{-1}$. No evidence of the decay is found and an upper limit on its branching fraction is set at ${\cal B}(B_s^0 o p \bar{p}) &lt; 4.4~(5.1) imes 10^{-9}$ at 90% (95%) confidence level; this is currently the world's best upper limit. The decay mode $B^0 o p \bar{p}$ is measured with very large significance, confirming the first observation by the LHCb experiment in 2017. The branching fraction is determined to be ${\cal B}(B^0 o p \bar{p}) = m (1.27 \pm 0.15 \pm 0.05 \pm 0.04) imes 10^{-8}$, where the first uncertainty is statistical, the second is systematic and the third is due to the external branching fraction of the normalization channel $B^0 o K^+π^-$. The combination of the two LHCb measurements of the $B^0 o p \bar{p}$ branching fraction yields ${\cal B}(B^0 o p \bar{p}) = m (1.27 \pm 0.13 \pm 0.05 \pm 0.03) imes 10^{-8}$.

연구 동기 및 목표

• 양성자-양성자 충돌에서 $\sqrt{s} = 13$ TeV 조건에서 희귀한 해드론성 붕괴 $B_s^0 \to \bar{p}p$ 를 탐색하기 위해.
• 이전에 제공된 바와 비교해 더 엄격한 상한선을 $B_s^0 \to \bar{p}p$ 붕괴 분획에 설정하기 위해.
• 일관성과 정규화를 위해 정밀하게 측정된 $B^0 \to \bar{p}p$ 붕괴의 분획을 고정밀도로 측정하기 위해.
• 표준모형 내에서 바리온성 B 붕괴에서의 교환 및 소멸 도형의 역할을 탐구하기 위해.

제안 방법

• 분석은 LHCb 검출기에서 확보한 $\sqrt{s} = 13$ TeV에서의 6 fb$^{-1}$의 $pp$ 충돌 데이터를 사용한다.
• $B^0 \to \bar{p}p$ 및 $B_s^0 \to \bar{p}p$의 신호 수확은 관측된 진동 질량 분포에 대한 동시 피팅을 통해 추출된다.
• 분획은 정밀하게 측정된 분획과 유사한 위상구조를 가진 $B^0 \to K^+\pi^-$ 붕괴 모드로 정규화된다.
• 정규화는 검출기 효율, 재구성 수용률, 그리고 $B^0_s$에서 $B^0$로의 하드론화 비율($f_s/f_d = 0.2539 \pm 0.0079$)을 고려한다.
• 유사한 운동학적 및 위상적 특성을 가진 제어 모드를 사용하여 체계적 오차를 최소화한다.
• 분획은 다음 공식을 사용하여 계산된다: $B(B_s^0 \to \bar{p}p) = \frac{N(B_s^0 \to \bar{p}p)}{N(B^0 \to K^+\pi^-)} \cdot \frac{\varepsilon_{B^0 \to K^+\pi^-}}{\varepsilon_{B_s^0 \to \bar{p}p}} \cdot B(B^0 \to K^+\pi^-) \cdot \frac{f_s}{f_d}$.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 희귀 붕괴 $B_s^0 \to \bar{p}p$ 의 분획은 얼마인가?
• RQ2 LHCb 실험은 이전 실험보다 더 민감한 상한선을 $B_s^0 \to \bar{p}p$ 에 대해 설정할 수 있는가?
• RQ3 $B^0 \to \bar{p}p$ 및 $B_s^0 \to \bar{p}p$ 의 측정된 분획은 표준모형 예측과 어떻게 비교되는가?
• RQ4 이 측정 결과는 바리온성 B 붕괴에서 W-교환 및 소멸 도형의 역할에 대해 어떤 통찰을 제공하는가?

주요 결과

• 희귀 붕괴 $B_s^0 \to \bar{p}p$ 에 대해 유의미한 신호는 관측되지 않았으며, 90% 신뢰수준에서 $B(B_s^0 \to \bar{p}p) < 4.4 \times 10^{-9}$의 상한선이 설정되었다.
• 95% 신뢰수준에서 상한선은 $5.1 \times 10^{-9}$로 향상되었으며, 이는 이 희귀 붕괴에 대해 세계에서 가장 엄격한 제약 조건을 나타낸다.
• $B^0 \to \bar{p}p$ 의 분획은 통계적, 체계적, 정규화 오차를 포함하여 $B(B^0 \to \bar{p}p) = (1.27 \pm 0.15 \pm 0.05 \pm 0.04) \times 10^{-8}$로 측정되었다.
• 이 결과를 이전 LHCb 측정 결과와 조합하면, 보다 정밀한 분획으로 $B(B^0 \to \bar{p}p) = (1.27 \pm 0.13 \pm 0.05 \pm 0.03) \times 10^{-8}$로 개선되었다.
• LHCb가 2017년에 처음으로 관측한 $B^0 \to \bar{p}p$ 붕괴는 높은 유의수준으로 확인되었다.
• 결과는 바리온성 B 붕괴에서 비요소화 기여 및 소멸 도형에 관여하는 이론 모델에 중요한 제약 조건을 제공한다.