[論文レビュー] Bs to mu mu gamma from Bs to mu mu

F. Dettori, Diego Guadagnoli+1 more|arXiv (Cornell University)|Oct 3, 2016

Particle physics theoretical and experimental studies参考文献 18被引用数 5

ひとこと要約

この論文は、$B^0_s \to \mu^+\mu^-$探索に使用された同一のデータセットを用いて、$\mu^+\mu^-$インバリアント質量ウィンドウの拡張された低質量領域における放射性崩壊からの汚染を分析することで、$B^0_s \to \mu^+\mu^-\gamma$崩壊スペクトルを抽出する新規手法を提案する。この手法により、Run-2 LHCデータを用いた最初のブランチング比の測定または上限設定が可能となり、$\mathcal{O}_9$および$\mathcal{O}_{10}$オペレーターを通じて新しい物理の感度が得られる。

ABSTRACT

The Bs to mu mu gamma decay offers sensitivity to a wider set of effective operators than its non-radiative counterpart Bs to mu mu, and a set that is interesting in the light of present-day discrepancies in flavour data. On the other hand, the direct measurement of the Bs to mu mu gamma decay poses challenges with respect to the Bs to mu mu one. We present a novel strategy to search for Bs to mu mu gamma decays in the very event sample selected for Bs to mu mu searches. The method consists in extracting the Bs to mu mu gamma spectrum as a "contamination" to the Bs to mu mu one, as the signal window for the latter is extended downward with respect to the peak region. We provide arguments for the actual practicability of the method already on Run-2 data of the LHC.

研究の動機と目的

• 稀な放射性崩壊$B^0_s \to \mu^+\mu^-\gamma$の測定に課題となる低効率および高いバックグラウンドに対処すること。
• $B^0_s \to \mu^+\mu^-$イベントサンプルを活用し、明示的な光子再構成を伴わずに放射性崩壊スペクトルを抽出すること。
• Run-2 LHCデータに適用可能な実用的でデータ駆動型の手法を提供し、$\mathcal{B}(B^0_s \to \mu^+\mu^-\gamma)$の最初の上限または測定を可能にすること。
• $b \to s\ell\ell$異常に関連する現在の$\mathcal{O}_9$および$\mathcal{O}_{10}$オペレーターに対する新しい物理の感度を高めること。
• 形式因子の不確実性に依存するのを減らすために、格子QCDが精度を高めやすい高$q^2$運動量領域に注目すること。

提案手法

• この手法は、$m_{\mu\mu}^2$の低い値にまで拡張した$B^0_s \to \mu^+\mu^-$信号ウィンドウにおいて、$B^0_s \to \mu^+\mu^-\gamma$のスペクトルを汚染成分として抽出する。
• 放射性崩壊が$\mu^+\mu^-$インバリアント質量分布の低質量尾部に分布することを活用し、$B^0_s \to \mu^+\mu^-$信号領域と重複する。
• 効率と解像度が低い明示的光子再構成を避けるために、$\mu^+\mu^-$最終状態の運動量およびスペクトル構造を利用する。
• 誤識別半レプトン崩壊（$B \to h^\pm \mu^\mp \nu$）やレア崩壊（$B \to h^0 \mu^+\mu^-$）などのバックグラウンドは、コントロールチャンネルと理論的推定値を用いて制約される。
• 相対論的構成クォークモデルから導かれた$B^0_s \to \gamma$遷移の形式因子に依存し、形式因子には10%の不確実性、ブランチング比予測には20%の不確実性を想定する。
• この分析は、専用のフィットに実装可能であり、Run-2 LHCデータを用いた$\mathcal{B}(B^0_s \to \mu^+\mu^-\gamma)$の最初の測定または上限設定が可能になる。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 明示的な光子再構成を伴わず、$B^0_s \to \mu^+\mu^-$探索に使用された同一のデータセットから$B^0_s \to \mu^+\mu^-\gamma$崩壊スペクトルを抽出できるか？
• RQ2 $\mu^+\mu^-$インバリアント質量スペクトルの低$m_{\mu\mu}^2$尾部における運動量汚染のみを用いて、$B^0_s \to \mu^+\mu^-\gamma$崩壊率をどの程度正確に測定できるか？
• RQ3 現在の$b \to s\ell\ell$遷移における異常を踏まえると、この手法は$\mathcal{O}_9$および$\mathcal{O}_{10}$オペレーターへの新しい物理寄与をどの程度効果的に解明できるか？
• RQ4 主な系統的不確実性は何か？それらはRun-2 LHCデータにおける最初の測定または上限設定を可能にするほど十分に制約できるか？
• RQ5 誤識別半レプトン崩壊やレア$B \to \mu^+\mu^- h$崩壊からのバックグラウンド寄与に対して、この手法は頑健か？

主な発見

• この手法により、$m_{\mu\mu}^2$の低い値にまで拡張した$B^0_s \to \mu^+\mu^-$信号ウィンドウにおいて、$B^0_s \to \mu^+\mu^-\gamma$スペクトルを汚染成分として抽出できる。
• この手法はRun-2 LHCデータに適用可能であり、$\mathcal{B}(B^0_s \to \mu^+\mu^-\gamma)$の最初の測定または上限設定を可能にする。
• 既存データ（$m_{\mu\mu} \simeq 5.1$ GeV未満）に基づくと、$B^0_s \to \mu^+\mu^-\gamma$率のオーダー1000倍の増幅はあり得ない。
• 格子QCD計算がより正確になる高$q^2$領域に注目することで、不確実な形式因子への依存を低減できる。
• 誤識別半レプトン崩壊やレア$B \to \mu^+\mu^- h$崩壊からのバックグラウンドは、コントロールチャンネルと理論的入力を用いて制約可能であり、無視できないものではなく管理可能である。
• この手法は他の$B_q \to \ell^+\ell^-\gamma$崩壊へ一般化可能であり、非放射性崩壊がよく測定された後、将来的な測定への道筋を提供する。