[论文解读] Lepton-Flavor-Dependent Angular Analysis of $B o K^\ast \ell^+\ell^-$

Belle Collaboration, S. Wehle+201 more|arXiv (Cornell University)|Jan 1, 2016

Particle physics theoretical and experimental studies被引用 109

一句话总结

本论文基于KEKB上Belle实验采集的711 fb⁻¹数据，首次对B⁰ → K*⁰ℓ⁺ℓ⁻衰变进行了轻子味依赖的角分布分析。该研究测量了角可观测量P′₄和P′₅，并检验了轻子味 universality，发现在4 < q² < 8 GeV²/c⁴区域，μ子模式存在2.6σ的偏离——与LHCb的P′₅异常一致——而所有模式整体上仍与标准模型相容。

ABSTRACT

We present a measurement of angular observables and a test of lepton flavor universality in the $B o K^\ast \ell^+\ell^-$ decay, where $\ell$ is either $e$ or $\mu$. The analysis is performed on a data sample corresponding to an integrated luminosity of $711~\mathrm{fb}^{-1}$ containing $772 imes 10^{6}$ $B\bar B$ pairs, collected at the $\Upsilon(4S)$ resonance with the Belle detector at the asymmetric-energy $e^+e^-$ collider KEKB. The result is consistent with Standard Model (SM) expectations, where the largest discrepancy from a SM prediction is observed in the muon modes with a local significance of $2.6\sigma$.

研究动机与目标

• 利用大规模数据样本，首次对B⁰ → K*⁰ℓ⁺ℓ⁻衰变进行轻子味依赖的角分布分析。
• 分别测量电子和μ子末态的角可观测量P′₄和P′₅。
• 通过比较e⁺e⁻与μ⁺μ⁻模式下的可观测量，检验轻子味 universality。
• 评估结果与标准模型预测的相容性，并搜索新物理信号。
• 探究LHCb先前在相同q²区域报告的P′₅异常的起源。

提出的方法

• 分析使用了在√s = 10.52 GeV下，于Υ(4S)共振态处采集的711 fb⁻¹ e⁺e⁻碰撞数据，探测器为Belle。
• 通过K*⁰ → K⁺π⁻衰变及二轻子系统的运动学重建，实现B⁰ → K*⁰ℓ⁺ℓ⁻衰变的重建。
• 通过在cosθₗ、cosθₖ、φ和q²的完整4维角分布上进行无采样最大似然拟合，提取角可观测量。
• 采用Altmannshofer等人（2009年）的形式化方法参数化微分衰变率，P′₄和P′₅可观测量由角系数推导得出。
• 通过控制样本、模拟和数据驱动方法评估系统误差，包括信号与背景建模。
• 通过定义为电子与μ子模式下P′₄和P′₅之差的可观测量Q₄和Q₅，检验轻子味 universality。

实验结果

研究问题

• RQ1 B⁰ → K*⁰ℓ⁺ℓ⁻衰变的角可观测量P′₄和P′₅是否存在可测量的轻子味依赖性？
• RQ2 在q²区域4–8 GeV²/c⁴内，μ子模式的测量角分布是否显著偏离标准模型预测？
• RQ3 电子与μ子模式的结果是否通过Q₄和Q₅检验显示轻子味 universality 一致？
• RQ4 观测到的μ子模式P′₅张力是否与LHCb在相同q²区域报告的P′₅异常一致？
• RQ5 在包含系统误差的情况下，数据与标准模型预测之间最大偏差的显著性是多少？

主要发现

• 在μ子模式中观测到与标准模型预测的最大偏离，P′₅可观测量在4 < q² < 8 GeV²/c⁴区域的局部显著性为2.6σ。
• 在同一q²区域，电子模式显示1.3σ的偏离，所有通道联合分析的张力为2.5σ，均包含系统误差。
• 衡量轻子味 universality 破坏的Q₄和Q₅可观测量未显示与零的显著偏离，其值为Q₄ = 0.448 ± 0.392 ± 0.076，Q₅ = 0.498 ± 0.410 ± 0.095（4–8 GeV²/c⁴区间）。
• 所有测量的可观测量，包括电子与μ子模式下的P′₄和P′₅，均在不确定度范围内与标准模型预期一致。
• 电子与μ子末态之间结果相容，Q₄和Q₅可观测量未显示轻子味 universality 破坏的证据。
• 在4–8 GeV²/c⁴区域，μ子模式中P′₅观测到的2.6σ张力与LHCb的P′₅异常一致，提示新物理可能存在共同起源。