[論文レビュー] Angular analysis of the $B^{0} ightarrow K^{*0}\mu^{+}\mu^{-}$ decay

R. Aaij, C. Abellán Beteta+97 more|arXiv (Cornell University)|Dec 14, 2015

Particle physics theoretical and experimental studies参考文献 68被引用数 121

ひとこと要約

本研究では、LHCbのpp衝突データ3.0 fb$^{-1}$を用いて、$B^0 \to K^{*0}(\to K^+\pi^-)\mu^+\mu^-$崩壊の高精度な角度解析を実施した。$q^2$のビンごとの$C\!P$平均観測量および$C\!P$非対称性を測定し、$q^2$に依存する振幅のフィットを実施した結果、標準模型の予測から3.4$\sigma$のずれが見られ、新物理または考慮されていないハドロン効果の可能性を示唆した。

ABSTRACT

An angular analysis of the $B^{0} ightarrow K^{*0}( ightarrow K^{+}\pi^{-})\mu^{+}\mu^{-}$ decay is presented. The dataset corresponds to an integrated luminosity of $3.0\,{\mbox{fb}^{-1}}$ of $pp$ collision data collected at the LHCb experiment. The complete angular information from the decay is used to determine $C\!P$-averaged observables and $C\!P$ asymmetries, taking account of possible contamination from decays with the $K^{+}\pi^{-}$ system in an S-wave configuration. The angular observables and their correlations are reported in bins of $q^2$, the invariant mass squared of the dimuon system. The observables are determined both from an unbinned maximum likelihood fit and by using the principal moments of the angular distribution. In addition, by fitting for $q^2$-dependent decay amplitudes in the region $1.1<q^{2}<6.0\mathrm{\,Ge\kern -0.1em V}^{2}/c^{4}$, the zero-crossing points of several angular observables are computed. A global fit is performed to the complete set of $C\!P$-averaged observables obtained from the maximum likelihood fit. This fit indicates differences with predictions based on the Standard Model at the level of 3.4 standard deviations. These differences could be explained by contributions from physics beyond the Standard Model, or by an unexpectedly large hadronic effect that is not accounted for in the Standard Model predictions.

研究の動機と目的

• 3.0 fb$^{-1}$のLHCbデータから得られる完全な角度情報に基づき、$B^0 \to K^{*0}(\to K^+\pi^-)\mu^+\mu^-$崩壊の包括的な角度解析を実施すること。
• $K^+\pi^-$系におけるS波の寄与を考慮しつつ、$C\!P$平均観測量および$C\!P$非対称性を特定すること。
• $q^2$に依存する振幅フィットを用いて、$q^2$範囲1.1–6.0 GeV$^2/c^4$における角度観測量のゼロ交差点を測定すること。
• 最大尤度法で得られた$C\!P$平均観測量のグローバルフィットを通じて、観測された観測量が標準模型の予測と整合するかを検証すること。

提案手法

• 全角度分布からの$C\!P$平均観測量およびその相関を抽出するために、非バインド最大尤度フィットを用いた。
• 最大尤度法の結果を検証するための代替手法として、角度分布の主モーメントを計算した。
• 1.1–6.0 GeV$^2/c^4$の範囲で$q^2$に依存する振幅フィットを実施し、角度観測量のゼロ交差点を抽出した。
• 最大尤度法で得られた全$C\!P$平均観測量のセットに対してグローバルフィットを実施し、標準模型との整合性を評価した。
• S波$K^+\pi^-$配置による汚染を明示的にモデル化し、解析に組み込んだ。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 異なる$q^2$ビンにおける$B^0 \to K^{*0}\mu^+\mu^-$崩壊の角度観測量はどのように変化するのか？ また、それらは$C\!P$対称性について何を明らかにするか？
• RQ2 $K^+\pi^-$系におけるS波寄与は、角度観測量の特定にどの程度の影響を及ぼすか？
• RQ3 主要な角度観測量のゼロ交差点は、$q^2$領域1.1–6.0 GeV$^2/c^4$内でどこに位置するのか？ また、標準模型の予測と比較するとどうなるか？
• RQ4 測定された$C\!P$平均観測量と標準模型の予測との間に、統計的に有意なずれは存在するか？

主な発見

• 最大尤度法で得られた$C\!P$平均観測量に対するグローバルフィットにおいて、標準模型の予測から3.4標準偏差のずれが観測された。
• 観測された乖離は、標準模型を超える物理的寄与、または現在の理論的計算に含まれていない未考慮のハドロン効果の可能性を示唆している。
• $q^2$に依存する振幅フィットを用いて、$q^2$範囲1.1–6.0 GeV$^2/c^4$における複数の角度観測量のゼロ交差点が計算された。
• 解析では$K^+\pi^-$系におけるS波汚染を考慮したため、角度観測量の決定精度が向上した。
• 非バインド最大尤度フィットと主モーメント法の両方の結果が一貫しており、観測量抽出の堅牢性が裏付けられた。
• $C\!P$平均観測量およびその相関が複数の$q^2$ビンにわたり報告され、将来的な理論との比較に役立つ詳細なデータセットが提供された。