[논문 리뷰] Test of lepton flavor universality in B$^{\pm}$ $ o$ K$^{\pm}\mu^+\mu^-$ and B$^{\pm}$ $ o$ K$^{\pm}$e$^+$e$^-$ decays in proton-proton collisions at $\sqrt{s}$ = 13 TeV

Hayrapetyan, Aram, Aram Hayrapetyan외 2334명|arXiv (Cornell University)|2024. 01. 01.

Particle physics theoretical and experimental studies참고 문헌 77인용 수 2

한 줄 요약

이 연구는 2018년에 √s = 13 TeV에서 CMS 실험에서 수집한 100억 개의 b 하드론 붕괴를 이용하여 B± → K±μ+μ− 및 B± → K±e+e− 붕괴에서 렙톤 풍미 보편성(LFU)을 시험한다. q² 범위 1.1–6.0 GeV²에서 측정된 비율 R(K) = 0.78+0.47−0.23은 표준모형 예측인 1과 일치하며, 통계적 정밀도가 전자 채널에 의해 제한되어 상당한 LFU 위반은 관측되지 않음.

ABSTRACT

A test of lepton flavor universality in and decays, as well as a measurement of differential and integrated branching fractions of a nonresonant decay are presented. The analysis is made possible by a dedicated data set of proton-proton collisions at recorded in 2018, by the CMS experiment at the LHC, using a special high-rate data stream designed for collecting about 10 billion unbiased b hadron decays. The ratio of the branching fractions to is determined from the measured double ratio of these decays to the respective branching fractions of the with and decays, which allow for significant cancellation of systematic uncertainties. The ratio is measured in the range , where q is the invariant mass of the lepton pair, and is found to be , in agreement with the standard model expectation . This measurement is limited by the statistical precision of the electron channel. The integrated branching fraction in the same q$^{2}$ range, , is consistent with the present world-average value and has a comparable precision.

연구 동기 및 목표

• √s = 13 TeV에서의 양성자-양성자 충돌 데이터를 이용하여 희귀한 B± → K±ℓ+ℓ− 붕괴에서 렙톤 풍미 보편성(LFU)을 시험하기 위해 고정밀도 데이터를 활용한다.
• 비공진 상태 B± → K±μ+μ− 붕괴의 미분 및 통합 분포율을 측정한다.
• B± → J/ψK± 붕괴(여기서 J/ψ → μ+μ− 및 e+e−)를 이용한 이중 비율 정규화를 통해 체계적 오차를 감소시킨다.
• b → sℓ+ℓ− 전이에서의 LFU 위반 여부를 통해 표준모형을 초월한 새로운 물리학을 탐색한다.

제안 방법

• 이중 비율 R(K)는 B(B± → K±μ+μ−)/B(B± → K±e+e−)로 정의되며, 체계적 오차를 상쇄하기 위해 해당 J/ψ 붕괴 채널에 대해 정규화된다.
• 분석은 2018년 LHC 데이터에서 고속도 데이터 스트림을 전용으로 활용하여 약 100억 개의 비편향된 b 하드론 붕괴를 수집한다.
• 신호 재구성 및 선택은 CMS 검출기에서 입자 흐름 알고리즘, 트래킹, 뮤온 및 전자의 식별을 통해 수행된다.
• 신호 수확량과 배경 기여를 추출하기 위해 K±ℓ+ℓ− 진동 질량 분포에 최대우도 적합법을 적용한다.
• 체계적 오차는 제어 샘플, 검출기 시뮬레이션, 재구성 및 선택 기준의 변형을 통해 평가된다.
• 측정는 렙톤의 상대적 위상공간이 유사한 q² 범위 1.1 < q² < 6.0 GeV²에서 수행되며, LFU에 대한 민감도를 높인다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 13 TeV에서 B± → K±μ+μ− 및 B± → K±e+e− 붕괴에서 렙톤 풍미 보편성 위반에 대한 증거가 있는가?
• RQ2 q² 범위 1.1–6.0 GeV²에서 비율 R(K) = B(B± → K±μ+μ−)/B(B± → K±e+e−)의 측정값은 얼마인가?
• RQ3 측정된 R(K)는 표준모형 예측인 1과 어떻게 비교되는가?
• RQ4 동일한 q² 범위에서 B± → K±μ+μ−의 통합 분포율은 얼마이며, 세계 평균값과 비교해보면 어떠한가?
• RQ5 체계적 오차는 R(K) 측정에 어느 정도 영향을 미치며, 이를 어떻게 완화하는가?

주요 결과

• q² 범위 1.1–6.0 GeV²에서 비율 R(K)는 0.78+0.47−0.23로 측정되었으며, 표준모형 예측인 1과 일치한다.
• 전자 채널의 통계적 정밀도가 R(K) 측정의 민감도를 제한하고 있어, 전자 재구성 향상 또는 더 큰 데이터셋이 필요함을 시사한다.
• 동일한 q² 범위에서 B± → K±μ+μ−의 통합 분포율은 (12.42 ± 0.68) × 10−8로 측정되었으며, 세계 평균값과 일치하고 정밀도 수준도 유사하다.
• J/ψ → μ+μ− 및 e+e− 붕괴를 이용한 이중 비율 정규화는 R(K)에서 체계적 오차를 크게 감소시켰다.
• 렙톤 풍미 보편성에 대한 유의미한 위반은 관측되지 않아, 이 희귀 붕괴 채널에서 표준모형이 지속됨을 지지한다.
• 결과는 전체 수치 데이터를 재현 및 추가 분석에 활용할 수 있도록 HEPData 데이터베이스에 공개되어 있다.