[논문 리뷰] Search for $K^0_{\mathrm{S(L)}} oμ^+μ^-μ^+μ^-$ decays at LHCb

LHCb collaboration|arXiv (Cornell University)|2022. 01. 01.

Particle physics theoretical and experimental studies인용 수 1

한 줄 요약

이 논문은 LHCb 실험에서 $√{s} = 13$ TeV에서 수집한 5.1 fb$^{-1}$의 프로톤-프로톤 충돌 데이터를 이용해 $K^0_{ \mathrm{S(L)}} \to \mu^+\mu^-\mu^+\mu^-$ 붕괴에 대한 최초의 실험적 탐색을 제시한다. 신호는 관측되지 않았으며, 90% 신뢰수준에서 상한선이 각각 $B(K^0_S \to \mu^+\mu^-\mu^+\mu^-) < 5.1 \times 10^{-12}$ 및 $B(K^0_L \to \mu^+\mu^-\mu^+\mu^-) < 2.3 \times 10^{-9}$로 설정되었으며, 이는 이러한 붕괴에 대해 최초의 제약 조건을 나타낸다.

ABSTRACT

A search for $K_{ extrm{S(L)}}^0 ightarrowμ^{+}μ^{-}μ^{+}μ^{-}$ decays is performed using proton-proton collision data collected by the LHCb experiment at a centre-of-mass energy of 13 TeV, corresponding to an integrated luminosity of 5.1 $fb^{-1}$. No evidence for signal is found. The 90\% confidence level upper limits are the first set for both decays and are $B(K_{ extrm{S}}^0 ightarrowμ^{+}μ^{-}μ^{+}μ^{-}) &lt; 5.1 imes 10^{-12}$ and $B(K_{ extrm{L}}^0 ightarrowμ^{+}μ^{-}μ^{+}μ^{-}) &lt; 2.3 imes 10^{-9}$.

연구 동기 및 목표

• 표준모형에서 매우 억제되는 희귀한 플레버-변경 중성자류 붕괴인 $K^0_S \to \mu^+\mu^-\mu^+\mu^-$ 붕괴를 탐색하기 위해.
• 모든 $K^0_S \to \mu^+\mu^-\mu^+\mu^-$ 및 $K^0_L \to \mu^+\mu^-\mu^+\mu^-$ 붕괴의 분해율에 대한 최초의 실험적 상한선을 설정하기 위해.
• 특히 이러한 분해율을 증가시킬 수 있는 암흑보조계의 장면을 포함한 표준모형을 초월한 물리학을 탐색하기 위해.
• 측정의 체계적 불확실성을 줄이기 위해 $K^0_S \to \pi^+\pi^-$ 붕괴를 정규화 모드로 사용하기 위해.

제안 방법

• 반대전하의 두 개의 양성자 쌍이 600 MeV/$c^2$ 이하의 진동 질량을 가지는 제2의 꼬리점(2차 꼬리점)을 형성하도록, 네 개의 뮤온 최종 상태를 재구성하기 위해.
• 편향을 방지하기 위해 분석 완료 시까지 신호 질량 창문(490–510 MeV/$c^2$) 내 후보를 제거하는 블라인딩 절차를 적용하기 위해.
• 데이터를 두 가지 트리거 카테고리로 나누어 독립적인 분석을 수행하기 위해: TIS(신호에 독립적으로 트리거됨) 및 xTOS(신호 뮤온에만 전적으로 트리거됨).
• 검출기 반응, 수용율, 선택 효과를 모델링하기 위해 Pythia 8, EvtGen, Geant4 기반의 시뮬레이션을 사용하기 위해.
• 공통된 체계적 불확실성을 상쇄시키기 위해 $K^0_S \to \pi^+\pi^-$ 붕괴에 비해 분해율을 측정하기 위해.
• LHCb 검출기의 트래킹, 칼로리미터, 뮤온 시스템을 사용하여 엄격한 뮤온 식별 및 꼬리점 재구성 수행하기 위해.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 희귀 붕괴 $K^0_S \to \mu^+\mu^-\mu^+\mu^-$의 분해율은 얼마이며, 표준모형 예측과 일치하는가?
• RQ2 LHCb 실험은 $K^0_L \to \mu^+\mu^-\mu^+\mu^-$의 분해율에 대해 최초의 실험적 상한선를 설정할 수 있는가?
• RQ3 암흑보조 모델과 같은 새로운 물리학은 이러한 네 뮤온 붕괴의 분해율을 어느 정도 증가시킬 수 있는가?
• RQ4 $K^0_S \to \pi^+\pi^-$를 정규화 모드로 사용할 경우 체계적 불확실성을 줄이는 데 얼마나 효과적인가?

주요 결과

• 5.1 fb$^{-1}$의 데이터 샘플에서 $√{s} = 13$ TeV에서 $K^0_S \to \mu^+\mu^-\mu^+\mu^-$ 붕괴에 대한 증거는 관측되지 않았다.
• 90% 신뢰수준에서 $K^0_S \to \mu^+\mu^-\mu^+\mu^-$ 분해율의 상한선은 $5.1 \times 10^{-12}$로 설정되었다.
• 90% 신뢰수준에서 $K^0_L \to \mu^+\mu^-\mu^+\mu^-$ 분해율의 상한선은 $2.3 \times 10^{-9}$로 설정되었으며, 이는 이러한 붕괴에 대해 처음으로 확립된 상한선이다.
• 네 뮤온 최종 상태의 신호 질량 분辩도 약 4 MeV/$c^2$로, $K^0_S$ 피크의 정밀한 재구성 가능하다.
• 2016년 이후 뮤온이 풍부한 붕괴의 트리거 효율성이 향상되었으며, 이는 낮은 p$_T$ 임계값과 새로운 소프트웨어 트리거 알고리즘 덕분이었다.
• $K^0_S \to \pi^+\pi^-$를 정규화 모드로 사용함으로써 검출 효율성과 루미노시티와 관련된 체계적 불확실성이 효과적으로 상쇄되었다.