[논문 리뷰] Evidence for the Flavor Changing Neutral Current Decays B to K l+ l- and B to K* l+ l-

B. Aubert|Science and Technology Facilities Council|2002. 07. 25.

Ionosphere and magnetosphere dynamics참고 문헌 1인용 수 7

한 줄 요약

이 논문은 PEP-II의 $\Upsilon(4S)$ 공진해에서 BaBar 검출기로 수집한 8440만 개의 $B\bar{B}$ 쌍을 사용하여 희귀 플레버 변화 중성자 흐름 붕괴 $B \to K\ell^+\ell^-$ 및 $B \to K^*\ell^+\ell^-$에 대한 初기 증거를 제시한다. $B \to K\ell^+\ell^-$의 신호는 $4.4\sigma$의 유의성으로 관측되었으며, 분해율은 $(0.78^{+0.24+0.11}_{-0.20-0.18}) \times 10^{-6}$로 산출되었고, $B \to K^*\ell^+\ell^-$는 중심값 $(1.68^{+0.68}_{-0.58}\pm 0.28) \times 10^{-6}$를 가지며 $2.8\sigma$의 초과를 보였다. 90% 신뢰수준 상한선은 $3.0 \times 10^{-6}$이었다.

ABSTRACT

We present preliminary results from a search for the rare, flavor-changing neutral current decays B to K l+ l- and B to K* l+ l-, where l+ l- is either an e+ e- or mu+ mu- pair. The data sample comprises (84.4 +- 0.9) X 10e6 upsilon(4S) to B B-bar decays (77.8 /fb) collected with the BaBar detector at the PEP-II B factory. For B to K l+ l-, we observe a signal with estimated significance of 4.4 sigma and obtain B(B to K l+ l-) = (0.78 +0.24 -0.20 +0.11 -0.18) X 10e-6 (averaged over l = e and mu). For B to K* l+ l-, we observe an excess of events over background with estimated significance of 2.8 sigma. We obtain B(B to K* l+ l-) = (1.68 +0.68 -0.58 +-0.28) X 10e-6 and the 90% C.L. upper limit B(B to K* l+ l-) < 3.0 X 10e-6.

연구 동기 및 목표

• 표준 모형에서 매우 억제되는 플레버 변화 중성자 흐름 붕괴인 $B \to K\ell^+\ell^-$ 및 $B \to K^*\ell^+\ell^-$를 탐색하기 위해.
• $\Upsilon(4S)$ 공진해에서 유래한 큰 $B\bar{B}$ 쌍 데이터 샘플을 사용하여 이러한 붕괴의 분해율을 측정하기 위해.
• 측정된 분해율이 표준 모형 예측 및 이전 실험 결과와 일관되는지 평가하기 위해.
• 검출기 및 분석 프레임워크의 체계적 오차를 고려하여 관측된 신호의 유의성 평가를 위해.

제안 방법

• PEP-II $B$-팩토리에서 BaBar 검출기를 사용하여 총 통합 루미노시티 77.8 fb$^{-1}$에 해당하는 데이터를 수집하였다.
• 최종 상태에서 케이온과 $\ell^+\ell^-$ 쌍을 식별하여 $B \to K\ell^+\ell^-$ 및 $B \to K^*\ell^+\ell^-$ 붕괴를 재구성하였다.
• 신호 영역은 $\ell^+\ell^-$의 진동 질량 스펙트럼 상에 정의되었으며, 배경은 사이드밴드 영역과 몬테카를로 시뮬레이션을 통해 추정되었다.
• 신호의 유의성은 통계적 오차와 체계적 오차를 모두 포함한 프로파일-가능도 방법을 사용하여 평가되었다.
• 분해율은 $B$ 후보자의 진동 질량 분포에 대한 비구속 최대우도 피팅을 통해 추출되었다.
• 검출기 효율성과 수용률의 비율을 고려하여 $K^*$ 모드에 대해 1.2의 보정 인자를 적용하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 표준 모형에서 매우 억제되는 플레버 변화 중성자 흐름을 통한 희귀 붕괴인 $B \to K\ell^+\ell^-$에 대한 증거가 있는가?
• RQ2 $B \to K\ell^+\ell^-$의 측정된 분해율은 얼마이며, 이는 이론적 예측 및 이전 측정치와 어떻게 비교되는가?
• RQ3 $B \to K^*\ell^+\ell^-$ 붕괴는 유의미한 신호를 보이며, 이는 표준 모형을 초월한 새로운 물리학에 대한 함의를 지니는가?
• RQ4 체계적 오차는 이러한 희귀 붕괴의 유의성 및 분해율 추정에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ5 관측된 신호는 다양한 데이터 서브셋 간에 일관된가? 특히 더 큰 77.8 fb$^{-1}$ 샘플과 이전의 더 작은 데이터셋 간 비교에서 그러한가?

주요 결과

• $B \to K\ell^+\ell^-$의 신호는 $4.4\sigma$의 유의성로 관측되어 관측의 높은 신뢰도를 나타낸다.
• $B \to K\ell^+\ell^-$의 측정된 분해율은 $(0.78^{+0.24+0.11}_{-0.20-0.18}) \times 10^{-6}$로 산출되었으며, $\ell = e$ 및 $\mu$에 대해 평균화된 값이다.
• $B \to K^*\ell^+\ell^-$ 붕괴는 배경을 초과하는 $2.8\sigma$의 초과를 보이며 중심값 $(1.68^{+0.68}_{-0.58}\pm 0.28) \times 10^{-6}$을 가진다.
• $B \to K^*\ell^+\ell^-$의 90% 신뢰수준 상한선은 $3.0 \times 10^{-6}$이며, 중심값과 표준 모형 예측과 일관된다.
• $B \to K\ell^+\ell^-$의 측정된 분해율은 Ali 등이 예측한 $(0.35 \pm 0.12) \times 10^{-6}$보다 높지만, Belle 측정치 $(0.75^{+0.25}_{-0.21}\pm 0.09) \times 10^{-6}$와 일관된다.
• 일관성 검증 결과, 진정한 값이 새로운 결과와 동일한 경우 이전의 20.7 fb$^{-1}$ 데이터셋에서 더 작은 수확량을 관측할 확률은 3%이며, 이는 약 1.9σ 수준이다. 이는 데이터 서브셋 간에 유의미한 불일치가 없음을 시사한다.