[논문 리뷰] Search for Decays of B0 Mesons into Pairs of Leptons

The BABAR Collaboration, B. Aubert|ArXiv.org|2002. 07. 25.

Particle physics theoretical and experimental studies참고 문헌 2인용 수 5

한 줄 요약

이 논문은 SLAC의 B A B AR 검출기에서 $Υ(4S)$ 공진 상태에서 수집한 54.4 fb$^{-1}$의 데이터를 사용하여 $B^0$ 메손의 희귀 붕괴인 렙톤 쌍($e^+e^-$, $μ^+\u03bc^-$, 및 $e^\pm\u03bc^\mp$)으로의 붕괴를 탐색한다. 유의미한 신호는 관측되지 않았으며, 이 연구는 분해율에 대해 90% 신뢰수준 상한선을 제시한다: $Σ(B^0 \to e^+e^-) < 3.3 \times 10^{-7}$, $Σ(B^0 \to \u03bc^+\u03bc^-) < 2.0 \times 10^{-7}$, 및 $Σ(B^0 \to e^\pm\u03bc^\mp) < 2.1 \times 10^{-7}$. 이러한 결과는 표준모형을 초월한 물리학, 특히 $B$ 붕괴에서의 맛 변화 중성미류를 예측하는 모델을 제약한다.

ABSTRACT

We present a search for the decays B0-&gt;e+e-, B0-&gt;mu+mu-, and B0-&gt;emu in data collected at the Upsilon(4S) with the BABAR detector at the SLAC B Factory. Using a data set of 54.4 fb-1, we find no evidence for a signal and set the following preliminary upper limits at the 90% confidence level: B(B0-&gt;e+e-)&lt; 3.3*10E-7, B(B0-&gt;mu+mu-) &lt; 2.0*10E-7, and B(B0-&gt;emu) &lt; 2.1*10E-7.

연구 동기 및 목표

• 표준모형에서 매우 억제되는 맛 변화 중성미류 붕괴인 $B^0$ 메손이 렙톤 쌍으로 붕괴하는 것을 탐색하여 새로운 물리학 기여에 민감한 희귀 붕괴를 찾는 것.
• $\Upsilon(4S)$ 공진 상태에서 얻은 큰 데이터 샘플을 사용하여 $B^0 \to e^+e^-$, $B^0 \to \mu^+\mu^-$, 및 $B^0 \to e^\pm\mu^\mp$ 붕괴의 분해율에 대해 엄격한 상한선을 설정하는 것.
• 이론적 예측을 검증하고, 특히 렙톤 맛 위반 또는 $B^0$ 붕괴를 매개하는 새로운 무거운 입자를 포함하는 표준모형을 초월한 물리학 모델을 제약하는 것.
• 신호 효율성과 배경 추정에 대한 체계적 불확실성을 평가하고 포함하여 신뢰수준 상한선 결정의 강건성을 확보하는 것.

제안 방법

• 분석은 SLAC의 $B$ 패밀리에서 $Υ(4S)$ 공진 상태에서 수집한 54.4 fb$^{-1}$의 데이터를 사용한다.
• 신호 사건은 운동량 변수인 $m_{\text{ES}}$ (빔 에너지 제약 질량)와 $\Delta E$ (에너지 차이)를 사용하여 선별하며, $B^0$ 질량 피크 주변의 신호 영역으로 정의된다.
• 배경는 제어 영역과 몬테카를로 시뮬레이션을 통해 추정되며, 상한선 계산에는 배경 차감을 적용하지 않는다.
• 분해율 상한선은 통계적 접근 방식을 기반으로 한 포isson 분포를 사용하여 결정되며, 신호 효율성과 $B\bar{B}$ 사건 수에 대한 통계적 및 체계적 불확실성을 모두 포함한다.
• 체계적 불확실성은 $1/S$에 대해 가우시안 오차 분포와 포isson 분포의 컨볼루션을 사용하여 전파된다. 여기서 $S$는 감도를 의미한다.
• 신호 효율의 체계적 불확실성은 $e^+e^-$ 채널에서 8.2%, $\mu^+\mu^-$ 채널에서 4.7%, $e^\pm\mu^\mp$ 채널에서 8.2%이며, 주로 분해능 모델링과 $N_{\text{mult}}$ 요구 조건에 기인한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 표준모형 예측을 초월하여 $B^0 \to e^+e^-$ 붕괴의 분해율은 무엇이며, 표준모형 예측을 초과하는가?
• RQ2 표준모형에서 극도로 억제되는 것으로 알려진 $B^0 \to \mu^+\mu^-$ 붕괴에 대해, 큰 $B\bar{B}$ 데이터 샘플에서 그 증거를 관측할 수 있는가?
• RQ3 $B^0 \to e^\pm\mu^\mp$ 붕괴에 대해 신호가 존재하는가? 이는 렙톤 맛 위반과 새로운 물리학을 시사할 수 있다.
• RQ4 신호 재구성과 배경 추정에 대한 체계적 불확실성은 희귀 $B^0$ 붕괴에 대한 최종 상한선에 어떤 영향을 미치는가?

주요 결과

• 세 가지 $B^0$ 붕괴 모드인 $B^0 \to e^+e^-$, $B^0 \to \mu^+\mu^-$, 및 $B^0 \to e^\pm\mu^\mp$ 에서도 유의미한 신호는 관측되지 않았다.
• $\mathcal{B}(B^0 \to e^+e^-)$에 대한 90% 신뢰수준 상한선은 $3.3 \times 10^{-7}$이며, 이는 하나의 관측된 사건과 배경 추정값 $0.60 \pm 0.24$ 건에 기반한다.
• $\mathcal{B}(B^0 \to \mu^+\mu^-)$에 대한 상한선은 $2.0 \times 10^{-7}$이며, 관측된 사건이 없고 배경 추정값이 $0.49 \pm 0.19$ 건이다.
• $\mathcal{B}(B^0 \to e^\pm\mu^\mp)$에 대한 상한선은 $2.1 \times 10^{-7}$이며, 관측된 사건이 없고 배경 추정값이 $0.51 \pm 0.17$ 건이다.
• 신호 효율에 대한 총 체계적 불확실성은 $e^+e^-$ 채널에서 8.2%, $\mu^+\mu^-$ 채널에서 4.7%, $e^\pm\mu^\mp$ 채널에서 8.2%이며, 주로 분해능 모델링과 $N_{\text{mult}}$ 선택 기준에 기인한다.
• 이 결과들은 당시 기준으로 이러한 희귀 $B^0$ 붕괴에 대해 가장 엄격한 상한선을 제공하며, 표준모형을 초월한 물리학 모델을 상당히 제약한다.