[論文レビュー] Search for Rare Decays of D0 Mesons into Two Muons

LHCb collaboration, Aaij, R.+1071 more|arXiv (Cornell University)|Jan 1, 2022

Particle physics theoretical and experimental studies被引用数 4

ひとこと要約

本論文では、√s = 7, 8, 13 TeV の陽子-陽子衝突から得られた 9 fb⁻¹ の LHCb データを用いて、非常にまれな D⁰ → μ⁺μ⁻ 衰えの探索を行っている。D*⁺ → D⁰π⁺ 衰えを分析し、背景を抑制するために高度な多次元解析手法を採用することで、世界で最も厳しい分岐率の上限を設定した：90% 確信度において B(D⁰ → μ⁺μ⁻) < 3.1 × 10⁻⁹ であり、これは標準模型を超える新しい物理のモデルを顕著に制約するものである。

ABSTRACT

A search for the very rare $D^0 o μ^+μ^-$ decay is performed using data collected by the LHCb experiment in proton-proton collisions at $\sqrt{s} = 7$, 8 and $13~ m{TeV}$, corresponding to an integrated luminosity of $9~ m{fb^{-1}}$. The search is optimised for $D^0$ mesons from $D^{\ast+} o D^0π^+$ decays but is also sensitive to $D^0$ mesons from other sources. No evidence for an excess of events over the expected background is observed. An upper limit on the branching fraction of this decay is set at $\mathcal{B}(D^0 o μ^+μ^-) &lt; 3.1 imes 10^{-9}$ at a $90\%$ CL. This represents the world's most stringent limit, constraining models of physics beyond the Standard Model.

研究の動機と目的

• 非常にまれな D⁰ → μ⁺μ⁻ 衰え（フラーバー変換を伴う中性荷電現在）の探索を目的とし、これは標準模型において極めて抑制された過程である。
• この分岐率の上限をより厳しく設定することで、標準模型を超える新しい物理の感度を向上させることを目的とする。
• LHC の Run 1 と Run 2 のデータを合計して 9 fb⁻¹ を得ることで、統計的パワーと背景抑制を強化することを目的とする。
• Run 2 の高流量および高エネルギーに起因する増加した背景を低減するために、洗練された多次元解析およびトリガーオプティマイゼーションを適用することを目的とする。
• 特にレプトクォーク、R-パリティ破れ超対称性、およびベクトル型フェルミオンを含む、標準模型を超える物理のモデルを制約することを目的とする。

提案手法

• 信号対背景比を向上させるために、D*⁺ → D⁰π⁺ 衰えに焦点を当て、D⁰候補質量と D*⁺–D⁰ の質量差（∆m）を主な運動量変数として用いる。
• 二変量フィットを、μ⁺μ⁻ の二重ミューオン質量（m(μ⁺μ⁻)）と ∆m の分布に実行し、信号生成量を抽出する。
• 信号生成量は、同時に選別された2つのハドロン的 D⁰ 衰え、D⁰ → K⁻π⁺ および D⁰ → π⁺π⁻ に対して正規化することで、系統的不確実性を低減する。
• 組み合わせ的および誤識別背景を抑制するために、BDT（ブーストド・ディシジョン・ツリー）分類器を含む多次元手法を用いる。
• 系統的不確実性は、フィットにガウス制約として組み込み、主にハドロン的トリガー効率のキャリブレーションからの寄与が大きい。
• 90% および 95% 確信度における分岐率の上限を設定するために、GammaCombo フレームワーク内での CLs 頻度的手法を適用する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 9 fb⁻¹ の LHC データを用いた場合、D⁰ → μ⁺μ⁻ 衰えの分岐率に対する最も厳しい上限は何か？
• RQ2 Run 2 における多次元解析およびトリガーエフェクティビティの改善が、まれな D⁰ 衰えの感度にどのように影響するか？
• RQ3 D⁰ → μ⁺μ⁻ 衰えの割合が、レプトクォークや R-パリティ破れ超対称性といった新しい物理モデルをどの程度まで制約できるか？
• RQ4 観測された信号の有意水準は、背景のみの期待値と比較してどうなっており、これは新しい物理信号に何を示唆するか？
• RQ5 特にトリガーエフェクティビティおよび背景モデル化の系統的不確実性が、最終的な分岐率上限に及ぼす影響は何か？

主な発見

• D⁰ → μ⁺μ⁻ の観測された分岐率は B(D⁰ → μ⁺μ⁻) = (1.7 ± 1.0) × 10⁻⁹ であり、これは 79 ± 45 個の信号事象に対応する。
• 信号の有意水準は 1.5σ であり、p 値は 0.068 である。これは背景超過が顕著でないことを示している。
• 90% 確信度において B(D⁰ → μ⁺μ⁻) < 3.1 × 10⁻⁹ の上限が設定され、これは以前の LHCb の上限よりも2倍以上も改善されたものである。
• 背景のみの期待上限は 90% 確信度で 1.9 × 10⁻⁹ であり、観測された上限と整合的である。
• この結果は、特に charm セクターにおけるフラーバー変換を伴う中性荷電現在の増強を予測するモデルを制約する。
• 背景モデルの変更（解像度関数やフィット範囲の変更など）に対しても、上限は安定しており、結果の信頼性が確認された。