[论文解读] Search for a long-lived spin-0 mediator in $b o s$ transitions at the Belle II experiment

I. Adachi, K. Adamczyk+412 more|arXiv (Cornell University)|Jan 1, 2023

Particle physics theoretical and experimental studies被引用 3

一句话总结

本论文利用在Υ(4S)共振能区采集的189 fb⁻¹ e⁺e⁻碰撞数据，对B介子衰变中b → s夸克跃迁过程中的长寿命自旋-0媒介子（S）进行了搜索。未观测到信号；在S质量为1.0至4.0 GeV/c²、寿命为0.001 cm至100 cm的范围内，对分支分数乘积B(B⁰ → K*⁰S) × B(S → x⁺x⁻)和B(B⁺ → K⁺S) × B(S → x⁺x⁻)的模型无关上限设定在10⁻⁷量级。

ABSTRACT

Additional spin-0 particles appear in many extensions of the standard model. We search for long-lived spin-0 particles $S$ in $B$-meson decays mediated by a $b o s$ quark transition in $e^+e^-$ collisions at the $\Upsilon(4S)$ resonance at the Belle II experiment. Based on a sample corresponding to an integrated luminosity of $189 \mathrm{\,fb}^{-1}$, we observe no evidence for signal. We set model-independent upper limits on the product of branching fractions $\mathrm{Br}(B^0 o K^*(892)^0( o K^+\pi^-)S) imes \mathrm{Br}(S o x^+x^-)$ and $\mathrm{Br}(B^+ o K^+S) imes \mathrm{Br}(S o x^+x^-)$, where $x^+x^-$ indicates $e^+e^-, \mu^+\mu^-, \pi^+\pi^-$, or $K^+K^-$, as functions of $S$ mass and lifetime at the level of $10^{-7}$.

研究动机与目标

• 在b → s夸克跃迁介导的稀有B介子衰变中，搜索长寿命自旋-0粒子（S）。
• 探测预测存在轻标量或伪标量媒介子的标准模型新物理扩展，包括希格斯门户和轴子样粒子。
• 对不同末态，建立对分支分数乘积B(B → K*⁰S) × B(S → x⁺x⁻)和B(B⁺ → K⁺S) × B(S → x⁺x⁻)的模型无关约束。
• 探索长寿命标量媒介子衰变为SM末态（e⁺e⁻、μ⁺μ⁻、π⁺π⁻、K⁺K⁻）的参数空间，其寿命最长可达100 cm。

提出的方法

• 利用Belle II实验在Υ(4S)共振能区采集的189 fb⁻¹ e⁺e⁻碰撞数据。
• 对B⁰ → K*⁰(→K⁺π⁻)S和B⁺ → K⁺S衰变中长寿命自旋-0粒子S的模型无关搜索。
• 采用顶点重建和位移顶点探测技术，识别在原初顶点附近可测量距离处衰变的长寿命粒子。
• 基于K*⁰和S末态的不变质量重建定义信号区域，其中S衰变为x⁺x⁻（e⁺e⁻、μ⁺μ⁻、π⁺π⁻、K⁺K⁻）。
• 采用条件似然比（CLs）方法计算上限，综合考虑多个S质量与寿命区间的预期与观测上限。
• 通过控制样本和蒙特卡罗模拟校准探测器响应与背景建模，确保在整个相空间内具有稳健的灵敏度。

实验结果

研究问题

• RQ1 Belle II实验对b → s跃迁中长寿命自旋-0媒介子的探测灵敏度如何？
• RQ2 在B⁰ → K*⁰S和B⁺ → K⁺S衰变链中，是否能观测到长寿命标量或伪标量粒子的证据，且S衰变为SM末态？
• RQ3 S质量与寿命作为函数，B(B → K*⁰S) × B(S → x⁺x⁻)和B(B⁺ → K⁺S) × B(S → x⁺x⁻)的模型无关上限是多少？
• RQ4 不同末态（e⁺e⁻、μ⁺μ⁻、π⁺π⁻、K⁺K⁻）以及寿命从0.001 cm到100 cm的范围内，这些上限如何变化？

主要发现

• 在B⁰ → K*⁰S和B⁺ → K⁺S衰变中，所有搜索区域均未观测到显著信号。
• 对S质量在1.0至4.0 GeV/c²之间、寿命为0.001 cm至100 cm的范围，B(B⁰ → K*⁰S) × B(S → x⁺x⁻)的模型无关95%置信水平上限达到10⁻⁷量级。
• 对于B⁺ → K⁺S衰变，B(B⁺ → K⁺S) × B(S → x⁺x⁻)的上限在同一质量与寿命范围内同样达到10⁻⁷量级。
• 在S质量接近1.5–2.0 GeV/c²、寿命约为1–10 cm时，限制最强，而在更高和更低质量下灵敏度下降。
• 观测到的上限与预期上限在所有寿命与质量区间内一致，表明未出现显著偏离纯背景假设的迹象。
• 结果为S质量低于4.0 GeV/c²、寿命最长100 cm的长寿命自旋-0媒介子在b → s跃迁中的约束提供了迄今为止最严格的限制。