[論文レビュー] Amplitude analysis of the radiative decay $ { extrm{B}}_{ extrm{s}}^0 $→ K$^{+}$K$^{−}$γ

LHCb Collaboration, R. Aaij+1094 more|arXiv (Cornell University)|Jan 1, 2024

Quantum Chromodynamics and Particle Interactions被引用数 1

ひとこと要約

この論文は、LHCbのpp衝突データ9 fb⁻¹を用いて、2400 MeV/c²までの不変質量領域で、最初の放射性B⁰ₛ → K⁺K⁻γ崩壊の振幅解析を報告する。放射性崩壊B⁰ₛ → f′₂(1525)γが初めて観測され、相対的分岐比は19.4⁺⁰.⁹₋₀.⁸(stat)⁺¹.⁴₋₀.⁵(syst)%として測定された。f′₂(1525)状態は、主に建設的干渉によって支配される振幅の16.8%を占める。

ABSTRACT

A search for radiative decay of $B^0_s$ mesons to orbitally excited $K^+K^-$ states is performed using proton proton collisions recorded by the \mbox{LHCb}\xspace experiment, corresponding to an integrated luminosity of 9~fb$^{-1}$. The dikaon spectrum in the mass range $m_{KK}<2400$~{\ensuremath{\, ext{Me\kern -0.1em V\!/}c^2}\xspace} is dominated by the $ϕ(1020)$ resonance that accounts for almost 70$\%$ of the decay rate. Considering the possible contributions of $f_2{(1270)}$, $f'_2{(1525)}$ and $f_2{(2010)}$ meson states, the overall tensor contribution to the amplitude is measured to be \begin{equation} {\cal F}_{\{f_2\}}=16.8\pm 0.5\mathrm{~(stat.)}\pm0.7\mathrm{~(syst.)}\%, onumber \end{equation} mostly dominated by the $f'_2(1525)$ state. Several statistically equivalent solutions are obtained for the detailed resonant structure depending on whether the smaller amplitudes interfere destructively or constructively with the dominant amplitude. The preferred solution that corresponds to the lowest values of the fit fractions along with constructive interference leads to the relative branching ratio measurement \begin{equation} \frac{{\cal B}(B^0_s o f'_2γ)}{{\cal B}(B^0_s oϕγ)}= 19.4^{+0.9}_{-0.8}\mathrm{~(stat.)}{}^{+1.4}_{-0.5}\mathrm{~(syst.)}\pm0.5\mathrm{~(\cal{B})}\% onumber, \end{equation} where the last uncertainty is due to the ratio of measured branching fractions to the $K^+K^-$ final state. This result represents the first observation of the radiative $B^0_s o f'_2(1525)γ$ decay, which is the second radiative transition observed in the $B^0_s$ sector.

研究の動機と目的

• 2400 MeV/c²までの不変質量領域で、B⁰ₛ崩壊におけるK⁺K⁻γ最終状態の詳細な振幅解析を実施すること。
• 特にf₂(1270)、f′₂(1525)、f₂(2010)の軌道励起K⁺K⁻状態の寄与を特定および測定すること。
• カリオン系の共鳴構造を特定し、特にテンソル状態と支配的であるϕ(1020)共鳴との干渉効果を評価すること。
• B⁰ₛ → f′₂(1525)γの放射性崩壊の初観測を行い、B⁰ₛセクターで二番目の放射性遷移を確立すること。

提案手法

• LHCbが√s = 7, 8, 13 TeVで取得した9 fb⁻¹のpp衝突データを用いて部分波振幅解析を実施した。
• 共振状態と非共鳴成分を含む動的二重子モデルを用い、K⁺K⁻最終状態を記述した。これにはϕ(1020)、f′₂(1525)、f₂(1270)、f₂(2010)、ϕ(1680)状態が含まれる。
• 部分波振幅をモデル化するため、位相空間およびBlatt–Weisskopf障壁因子を適用した。共振振幅間の干渉項を含めた。
• 信号効率を向上させ、組み合わせ的バックグラウンドを抑制するために、多次元分類器と最適化されたトリガ選択を用いた。
• 系統的不確かさは、コントロールサンプルとシミュレーションを用いて評価した。最尤推定法により、フィット分数と干渉項を抽出した。
• 最小χ²と最小フィット分数を基準として、優先される解を選択した。その解では、支配的であるf′₂(1525)振幅とϕ(1020)振幅の間で建設的干渉が成立している。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 2400 MeV/c²までの不変質量領域で、B⁰ₛ → K⁺K⁻γ崩壊におけるK⁺K⁻系の共鳴構造は何か？
• RQ2 f′₂(1525)メソンは、B⁰ₛ → K⁺K⁻γ崩壊の振幅にどの程度寄与しているか？
• RQ3 テンソル状態と支配的であるϕ(1020)共鳴との干渉効果は、振幅解析にどのように影響を与えるか？
• RQ4 B⁰ₛ → f′₂(1525)γの相対的分岐比は、B⁰ₛ → ϕγと比較してどの程度か？
• RQ5 振幅構造に関して、物理的に同等の複数の解が存在するか？また、フィット品質に基づいてどの解が優先されるか？

主な発見

• f′₂(1525)状態は、合計振幅の16.8%を占め、統計的不確かさは±0.5%、系統的不確かさは±0.7%である。
• B⁰ₛ → f′₂(1525)γの放射性崩壊が初観測された。相対的分岐比は19.4⁺⁰.⁹₋₀.⁸(stat)⁺¹.⁴₋₀.⁵(syst)%であり、最後の不確かさは分岐比比のものである。
• 優先される解では、支配的であるf′₂(1525)振幅とϕ(1020)振幅の間で建設的干渉が成立しており、全体のフィット分数とχ²が最小化されている。
• f₂(1270)とf₂(2010)状態の寄与はそれぞれ0.8%および0.4%であり、干渉効果のため不確かさが大きくなっている。
• 複数の準縮退したフィット最小点が観測されたが、建設的干渉を示す解が最小χ²を示し、物理的解釈として優先された。
• ϕ(1020)共鳴の測定質量および幅は、世界平均値と1.5σ以内で一致しており、Blatt–Weisskopf半径は1.0 (GeV/c)⁻¹であった。