[논문 리뷰] Measurement of the Branching Fractions B(B0→p$\overline{p}$p$\overline{p}$) and B(Bs0→p$\overline{p}$p$\overline{p}$)

Aaij, R., Abdelmotteleb, A. S. W.외 1073명|arXiv (Cornell University)|2022. 01. 01.

Particle physics theoretical and experimental studies인용 수 2

한 줄 요약

이 논문은 LHCb에서 9 fb⁻¹의 proton-proton 충돌 데이터를 사용하여 B⁰ → pppp 및 Bₛ⁰ → pppp의 희귀 hadronic 붕괴를 처음으로 관측한다. B⁰ → J/ψK*⁰ 및 Bₛ⁰ → J/ψφ 붕괴로의 정규화를 통해 분석한 결과, 분해율은 각각 (2.2 ± 0.4 ± 0.1 ± 0.1) × 10⁻⁸ 및 (2.3 ± 1.0 ± 0.2 ± 0.1) × 10⁻⁸로 측정되었으며, 각각 9.3σ 및 4.0σ의 유의수준을 보이며 두 붕괴에 대한 강력한 증거를 제공한다. 이는 baryonic B 붕괴에서 비가역적인 비양자역학적 QCD 역학이 작용하고 있음을 시사한다.

ABSTRACT

Searches for the rare hadronic decays $B^0 ightarrow p\bar{p}p\bar{p}$ and $B^0_{s} ightarrow p\bar{p}p\bar{p}$ are performed using proton-proton collision data recorded by the LHCb experiment and corresponding to an integrated luminosity of 9$ m{fb}^{-1}$. Significances of $9.3\,σ$ and $4.0\,σ$, including statistical and systematic uncertainties, are obtained for the $B^0 ightarrow p\bar{p}p\bar{p}$ and $B^0_{s} ightarrow p\bar{p}p\bar{p}$ signals, respectively. The branching fractions are measured relative to the topologically similar normalisation decays $B^0 ightarrow J/ψ( ightarrow p\bar{p}) K^{*0}( ightarrow K^+ π^-)$ and $B^0_{s} ightarrow J/ψ( ightarrow p\bar{p}) ϕ( ightarrow K^+ K^-)$. The branching fractions are measured to be $ \mathcal{B}(B^0 ightarrow p\bar{p}p\bar{p}) = ( 2.2 \pm 0.4 \pm 0.1 \pm 0.1 ) imes 10^{-8} $ and $ \mathcal{B}(B^0_{s} ightarrow p\bar{p}p\bar{p}) = ( 2.3 \pm 1.0 \pm 0.2 \pm 0.1 ) imes 10^{-8}$. In these measurements, the first uncertainty is statistical, the second is systematic and the third one is due to the external branching fraction of the normalisation channel.

연구 동기 및 목표

• 희귀 hadronic 붕괴 B⁰ → pppp 및 Bₛ⁰ → pppp의 분해율을 측정하고자 하였다. 이는 이전에 관측된 바가 없었다.
• CKM-우호적인 진폭에 의해 억제될 것으로 예상되지만 임계점 증폭이 나타날 수 있는, charmless baryonic B 붕괴의 역학을 조사하고자 하였다.
• 비가역적 QCD 효과의 차이를 조사하기 위해 B⁰ 및 Bₛ⁰의 4-pion 최종 상태 붕괴 분해율을 비교하고자 하였다.
• 이론적 모델을 검증하기 위해 이론적 예측 수준에 도달하는 O(10⁻⁸) 수준의 분해율 측정을 통해 baryonic B 붕괴 이론을 시험하고자 하였다.
• p¯p 상관질량 스펙트럼에서 잠재적인 공명(substructure) 또는 charmonium 상태 기여 여부를 평가하고자 하였다.

제안 방법

• 분석은 LHCb 실험에서 Run 1 및 Run 2 동안 7, 8, 13 TeV의 질량 중심계 에너지에서 수집한 9 fb⁻¹의 pp 충돌 데이터를 사용하였다.
• 신호 붕괴는 분해율이 잘 알려진 상호 유사한 정규화 붕괴인 B⁰ → J/ψ(→pp)K*⁰(→K+π⁻) 및 Bₛ⁰ → J/ψ(→pp)φ(→K+K⁻)를 기준으로 측정되었다.
• 분해율은 관측된 수익과 효율 보정된 수용률의 비율을 사용하여 추출되었으며, 공식은 다음과 같다: B(signal) = B_vis(normalization) × (N(signal)/N(normalization)) × (ϵ(normalization)/ϵ(signal)).
• 편향을 줄이기 위해 이중 단계로 실시된 블라인드 분석 절차를 적용하였으며, 먼저 Run 1 데이터를, 그 다음 Run 2 데이터를 처리하였다.
• 시스템적 불확실성은 자석 극성, 운행 기간, 운동량 및 위상각 범위, 트리거 카테고리에 따른 서브샘플 비교를 통해 평가되었다.
• 신호, 정규화, 배경 형태를 모델링하기 위해 시뮬레이션된 이벤트 샘플을 사용하였으며, 검출기 응답 및 재구성 효율은 제어 샘플과 데이터 기반 방법을 통해 검증되었다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 희귀 붕괴 B⁰ → pppp의 분해율은 얼마이며, 이는 charmless baryonic 붕괴에 대한 이론적 기대와 일치하는가?
• RQ2 Bₛ⁰ → pppp 붕괴의 분해율은 얼마이며, CKM-우호적인 진폭에 의해 예상되는 억제 수준을 초과하는가?
• RQ3 B⁰ → pppp 붕괴의 p¯p 상관질량 스펙트럼에서 공명(substructure)의 증거가 있는가, 아니면 비공명(non-resonant), 위상공간 유사 동역학이 지배적인가?
• RQ4 B⁰ 및 Bₛ⁰ → pppp 붕괴의 분해율은 어떻게 비교되며, 이는 baryonic 붕괴에서 비가역적 QCD 효과의 역할에 대해 무엇을 시사하는가?
• RQ5 charmonium 상태(예: J/ψ)는 pppp 최종 상태에 얼마나 기여하는가, 그리고 그것들이 주요 기여자로 간주될 수 있는가?

주요 결과

• B⁰ → pppp의 분해율은 (2.2 ± 0.4 ± 0.1 ± 0.1) × 10⁻⁸로 측정되었으며, 유의수준 9.3σ로 이는 이 붕괴의 첫 관측을 제공한다.
• Bₛ⁰ → pppp의 분해율은 (2.3 ± 1.0 ± 0.2 ± 0.1) × 10⁻⁸로 측정되었으며, 유의수준 4.0σ로 이는 이 붕괴 모드의 첫 관측을 의미한다.
• 각각의 정규화 모드에 대한 분해율 비율은 B⁰ → pppp의 경우 (1.24 ± 0.21 ± 0.04) × 10⁻²이며, Bₛ⁰ → pppp의 경우 (2.1 ± 0.9 ± 0.2) × 10⁻²이다.
• 2850 MeV/c² 이상의 p¯p 상관질량 영역에 대해 공명 기여를 억제하기 위한 보정 조치를 시행한 후에도, 분해율은 각각 (1.6 ± 0.4) × 10⁻⁸ 및 (2.2 ± 1.2) × 10⁻⁸로 일관되며, 유의수준은 6.5σ 및 3.6σ로 유지된다.
• B⁰ → pppp 붕괴의 p¯p 상관질량 스펙트럼에서 뚜렷한 공명(substructure)는 관측되지 않았으며, 이는 비공명, 위상공간 유사 동역학의 지배를 지지한다.
• 관측된 Bₛ⁰ → pppp 분해율은 트리-레벨 CKM-억제 진폭에 기반한 기대치보다 예상치 못하게 크며, 이는 비가역적 동역학 또는 임계점 효과의 가능성을 시사한다.