[논문 리뷰] Test of lepton universality in beauty-quark decays

LHCb Collaboration, Diego Torres Machado외 956명|arXiv (Cornell University)|2021. 03. 22.

Particle physics theoretical and experimental studies참고 문헌 150인용 수 114

한 줄 요약

이 논문은 B+ → K+ l+l− 감쇠에서 RK 비율을 측정하여 렌인 유니버설성(lepton universality)을 시험하며, 1.1–6.0 GeV^2/c^4 q^2 범위에서 RK = 0.846^{+0.044}_{-0.041}로 나타나 3.1σ 수준의 렌인 유니버설성 위반에 대한 증거를 제공합니다.

ABSTRACT

The Standard Model of particle physics currently provides our best description of fundamental particles and their interactions. The theory predicts that the different charged leptons, the electron, muon and tau, have identical electroweak interaction strengths. Previous measurements have shown a wide range of particle decays are consistent with this principle of lepton universality. This article presents evidence for the breaking of lepton universality in beauty-quark decays, with a significance of 3.1 standard deviations, based on proton-proton collision data collected with the LHCb detector at CERN's Large Hadron Collider. The measurements are of processes in which a beauty meson transforms into a strange meson with the emission of either an electron and a positron, or a muon and an antimuon. If confirmed by future measurements, this violation of lepton universality would imply physics beyond the Standard Model, such as a new fundamental interaction between quarks and leptons.

연구 동기 및 목표

• b → s l+ l− 전이에서 렌인 유니버설성 테스트.
• B+ → K+ l+ l−에서 뮤온과 전자 간 분파분율의 비를 측정합니다.
• 정확도 달성을 위해 B+ → J/ψ(K+) 감쇠를 표준화로 사용하는 이중 비율 기법으로 체계 불확실성을 제어하고 상쇄합니다.
• 효율 보정의 검증을 위해 관련 공명 채널(예: ψ(2S))과의 교차 검증으로 효율 보정을 확인합니다.

제안 방법

• LHCb에서 7, 8, 13 TeV에서 수집된 9 fb−1에 해당하는 프로톤-프로톤 충돌 데이터를 사용합니다.
• 1.1 < q^2 < 6.0 GeV^2/c^4에서의 미분 분율의 이중 비율로 R_K를 정의합니다(식 Eq. 2).
• q^2와 질량 적합을 이용해 비공명 비 B+ → K+ μ+ μ−를 공명 B+ → J/ψ(→ μ+ μ−) K+ 감쇠에서 분리합니다.
• 재구성 효율을 시뮬레이션 이벤트를 통해 보정하고 제어 채널로 보정하여 퍼센트 수준의 정확도를 달성합니다.
• m(K+ ℓ+ ℓ−)와 m(J/ψ(K+ ℓ+ ℓ−))에 대한 비편차 최대우도 피팅으로 산출량을 추출하고 공명 모드에 대한 가우시안 제약을 포함합니다.
• μ/μ 비율(r_{J/ψ})로 효율 보편성 교차 확인을 하고 ψ(2S) 채널(R_{ψ(2S)})으로 검증합니다.

Figure 1: Contributions to ${{B}^{+}}\!\rightarrow{{K}^{+}}\ell^{+}\ell^{-}$ decays in the SM and possible new physics models. A ${{B}^{+}}$ meson, consisting of $\overline{b}$ and $u$ quarks, decays into a ${K}^{+}$ , containing $\overline{s}$ and $u$ quarks, and two charged leptons, ${\ell^{+}}{\e

실험 결과

연구 질문

• RQ1 1. 1.1 < q^2 < 6.0 GeV^2/c^4에서 적분될 때 B+ → K+ μ+ μ− 감쇠가 B+ → K+ e+ e−와 같은 비율로 발생합니까?
• RQ2 2. b → s l+ l− 전이에서 표준 모형의 1에 대한 예측을 넘어 렌인 유니버설성 위반의 증거가 있습니까?
• RQ3 3. 효율 및 배경 모형화의 체계적 불확실성에 측정이 얼마나 강건합니까?
• RQ4 4. 공명 컨트롤 채널(J/ψ, ψ(2S))이 비공명 RK 결과를 뒷받침합니까?
• RQ5 5. 측정된 RK가 이전 실험 및 표준모형 기대값과 어떻게 비교됩니까?

주요 결과

• RK in 1.1 < q^2 < 6.0 GeV^2/c^4 is 0.846^{+0.044}_{-0.041} (stat+sys).
• Combined statistical and systematic uncertainty yields RK = 0.846^{+0.044}_{-0.041}.
• Evidence for lepton universality violation at 3.1 standard deviations (p-value 0.10%).
• The r_{J/ψ} ratio is measured as 0.981 ± 0.020, consistent with unity within uncertainties.
• An independent validation with R_{ψ(2S)} gives 0.997 ± 0.011, supporting the analysis method.
• The measurement supersedes previous RK results with greater precision and shows consistency across data subsets.

Figure 2: Candidate invariant mass distributions. Distribution of the invariant mass $m_{({{J\mskip-3.0mu/\mskip-2.0mu\psi\mskip 2.0mu}})}{({{K}^{+}}\ell^{+}\ell^{-})}$ for candidates with (left) electron and (right) muon pairs in the final state for the (top) nonresonant ${{B}^{+}}\!\rightarrow{{K}