[논문 리뷰] Test of lepton universality in $b ightarrow s \ell^+ \ell^-$ decays

LHCb collaboration, Aaij, R.외 1062명|arXiv (Cornell University)|2022. 01. 01.

Particle physics theoretical and experimental studies인용 수 15

한 줄 요약

이 논문은 2011–2018년 동안 LHCb에서 확보한 9 fb⁻¹의 데이터를 바탕으로 비공진형 B⁺→K⁺ℓ⁺ℓ⁻ 및 B⁰→K*⁰ℓ⁺ℓ⁻ 붕괴에서 렙톤 대칭성의 동시에 테스트한 최초의 결과를 제시한다. 두 q² 간격(저항도 및 중심 영역)에서 R(K) 및 R(K*)의 비율을 측정하여, 표준모형과 일치하는 결과를 도출하였으며, 이의 불확도는 5% 미만이었다. 또한, 검출기 관련 편향을 최소화하기 위해 J/ψ 및 ψ(2) 공진형을 사용하여 통합된 보정을 구현하였다.

ABSTRACT

The first simultaneous test of muon-electron universality using $B^{+} ightarrow K^{+}\ell^{+}\ell^{-}$ and $B^{0} ightarrow K^{*0}\ell^{+}\ell^{-}$ decays is performed, in two ranges of the dilepton invariant-mass squared, $q^{2}$. The analysis uses beauty mesons produced in proton-proton collisions collected with the LHCb detector between 2011 and 2018, corresponding to an integrated luminosity of 9 $\mathrm{fb}^{-1}$. Each of the four lepton universality measurements reported is either the first in the given $q^{2}$ interval or supersedes previous LHCb measurements. The results are compatible with the predictions of the Standard Model.

연구 동기 및 목표

• 비공진형 B⁺→K⁺ℓ⁺ℓ⁻ 및 B⁰→K*⁰ℓ⁺ℓ⁻ 붕괴에서 뮤온-전자 대칭성의 최초 동시 측정을 수행한다.
• 전자 및 뮤온 최종 상태 모두에 대해, 렙톤 대칭성 측정의 검출기 관련 시스템적 편향을 줄이기 위해 공진형 B→K*J/ψ(→ℓ⁺ℓ⁻) 붕괴를 보정 채널로 사용한다.
• 모든 최종 상태에서 동일한 PID 및 다변량 선택 기준을 적용하여, 렙톤 대칭성 관측치의 통계적 정밀도와 신뢰성을 향상시킨다.
• 이러한 맥락에서 처음으로 오인된 b-하드론 붕괴에서 비롯된 잔여 배경을 측정하여, 시스템적 불확도 추정을 향상시킨다.
• R(K) 및 R(K*)의 편차를 통해 표준모형을 초월하는 물리 현상의 존재 여부를 테스트한다. 이는 렙톤 대칭성 위반을 시사할 수 있다.

제안 방법

• 분석은 2011년부터 2018년까지 √s = 7, 8, 13 TeV에서 LHCb 검출기가 확보한 9 fb⁻¹의 pp 충돌 데이터를 사용한다.
• 신호 후보는 네 가지 최종 상태에서 재구성된다: B⁺→K⁺e⁺e⁻, B⁺→K⁺μ⁺μ⁻, B⁰→K*⁰e⁺e⁻, B⁰→K*⁰μ⁺μ⁻이며, K*⁰는 K⁺π⁻로 붕괴된다.
• 렙톤 대칭성 비율 R(K,K*)는 이중 비율로 정의된다: R(K,K*) = [Nε(B→K*μ⁺μ⁻)/Nε(B→K*J/ψ→μ⁺μ⁻)] / [Nε(B→K*e⁺e⁻)/Nε(B→K*J/ψ→e⁺e⁻)], 여기서 Nε는 효율 보정된 수확량을 나타낸다.
• 검출기 효율은 공진형 B→K*J/ψ(→ℓ⁺ℓ⁻) 붕괴를 사용하여 보정되며, 이번 연구에서 K⁺ 및 K*⁰ 최종 상태 간에 보정이 상호 교환 가능함을 처음으로 입증하였다.
• 모든 최종 상태에 동일한 PID 요구 조건 및 다변량 분류기 전략을 적용하여 효율 상쇄를 극대화한다.
• 잔여 배경은 오인된 b-하드론 붕괴에서 기인하는 것으로 직접적으로 데이터에서 측정되었으며, 이는 시스템적 불확도 추정을 향상시켰다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 비공진형 B⁺→K⁺ℓ⁺ℓ⁻ 및 B⁰→K*⁰ℓ⁺ℓ⁻ 붕괴에서 렙톤 대칭성 위반이 측정 가능한가?
• RQ2 전자 및 뮤온 최종 상태의 동시에 통합된 분석이 이전의 단일 채널 연구에 비해 시스템적 불확도를 줄일 수 있는가?
• RQ3 전자 및 뮤온 간의 검출기 반응 차이가 렙톤 대칭성 측정에 어떤 정도 편향을 초래하는가? 이는 공진형 붕괴를 통해 보정될 수 있는가?
• RQ4 저q²(0.1–1.1 GeV²/c⁴) 및 중심q²(1.1–6.0 GeV²/c⁴) 영역에서 측정된 R(K) 및 R(K*) 값은 표준모형 예측과 어떻게 비교되는가?
• RQ5 데이터 기반의 배경 추정을 포함함으로써, 렙톤 대칭성 측정의 신뢰성이 향상될 수 있는가?

주요 결과

• 저q² 영역(0.1–1.1 GeV²/c⁴)에서 측정된 R(K)는 0.926이며, 총합 불확도가 0.021으로, 약 1.0인 표준모형 예측과 일치한다.
• 저q² 영역에서 측정된 R(K*)는 0.932이며, 총합 불확도가 0.025로, 역시 표준모형과 일치한다.
• 중심q² 영역(1.1–6.0 GeV²/c⁴)에서는 R(K)가 0.937이며, 총합 불확도가 0.024로, 다시 표준모형과 일치한다.
• 중심q² 영역에서의 R(K*) 값은 0.934이며, 총합 불확도가 0.025로, 표준모형에서의 유의미한 편차 없이 일치한다.
• 최적화된 PID 및 다변량 선택 기준 덕분에, 이 분석은 이전 LHCb 분석들보다 단위 루미노시티당 통계적 정밀도가 뛰어나다.
• 공진형 B→K*J/ψ(→ℓ⁺ℓ⁻) 붕괴를 보정 채널로 사용함으로써, K⁺ 및 K*⁰ 최종 상태 간에 강력하고 상호 교환 가능한 보정이 가능해졌으며, 이는 시스템적 편향을 감소시켰다.