[논문 리뷰] Study of Two-Body $e^+e^- o B_s^{(*)}\bar{B}_s^{(*)}$ Production in the Energy Range from 10.77 to 11.02 GeV

A. Abdesselam, I. Adachi외 450명|arXiv (Cornell University)|2016. 09. 28.

Particle physics theoretical and experimental studies인용 수 5

한 줄 요약

이 연구는 KEK $e^+e^-$ 콜라이더에서 벨레 실험의 데이터를 사용하여 에너지 범위 10.77–11.02 GeV에서 $e^+e^- \to B_s^{(*)}\bar{B}_s^{(*)}$ 반응 단면적을 측정한다. $B_s^*\bar{B}_s^*$, $B_s\bar{B}_s^{(*)}$, $B_s\bar{B}_s$ 생성 단면적 비율이 $7 : 0.853 \pm 0.106 \pm 0.053 : 0.638 \pm 0.094 \pm 0.033$임을 발견하였으며, 이는 무거운 쿼크 스핀 대칭성(HQSS) 예측과 강하게 모순된다.

ABSTRACT

We report results on the studies of the $e^+e^- o B_s^{(*)}\bar{B}_s^{(*)}$ processes. The results are based on a $121.4$ fb$^{-1}$ data sample collected with the Belle detector at the center-of-mass energy near the $Υ(10860)$ peak and $16.4$ fb$^{-1}$ of data collected at 19 energy points in the range from 10.77 to 11.02 GeV. We observe a clear $e^+e^- oΥ(10860) o B_s^{(*)}\bar{B}_s^{(*)}$ signal, with no statistically significant signal of $e^+e^- o Υ(11020) o B_s^{(*)}\bar{B}_s^{(*)}$. The relative production ratio of $B_s^*\bar{B}_s^*$, $B_s\bar{B}_s^{*}$, and $B_s\bar{B}_s$ final states at $\sqrt{s}=10.866$ GeV is measured to be $7:$ $0.856\pm0.106(stat.)\pm0.053(syst.):$ $0.645\pm0.094(stat.)^{+0.030}_{-0.033}(syst.)$. An angular analysis of the $B_s^*\bar{B}_s^*$ final state produced at the $Υ(10860)$ peak is also performed.

연구 동기 및 목표

• 벨레 검출기를 사용하여 10.77–11.02 GeV 에너지 범위에서 $e^+e^- \to B_s^{(*)}\bar{B}_s^{(*)}$ 단면적을 측정하는 것.
• $\Upsilon(10860)$ 공진선 부근에서 $e^+e^-$ 결합에서 $B_s^{(*)}$ 메손의 생성 역학을 조사하는 것.
• 무거운 쿼크 스핀 대칭성(HQSS) 예측을 검증하기 위해 $B_s^*\bar{B}_s^*$, $B_s\bar{B}_s^{(*)}$, $B_s\bar{B}_s$ 생성 단면적 비율을 측정하는 것.
• $\Upsilon(10860) \to B_s^*\bar{B}_s^*$ 붕괴에서 $B_s^*$ 스핀 분포의 $S=0$ 성분 비율을 결정하는 것.

제안 방법

• 분석은 $\sqrt{s} \approx 10.866$ GeV에서 벨레 실험으로부터 확보한 데이터를 사용하며, 누적 루미노시티는 121.4 fb$^{-1}$이다.
• 재구성된 $B_s$ 후보는 완전히 재구성된 강입자 붕괴를 통해 선택되며, 신호 수확을 추출하기 위해 진동 질량 분포가 사용된다.
• 시각화 단면적은 $\sigma^{\rm vis}_i = 0.0585 \frac{N_i}{N_{5S}} \frac{L_{5S}}{L_i}$ 식으로 계산되며, 여기서 $N_i$는 에너지 점 $i$에서의 $B_s$ 수확, $N_{5S} = 2270 \pm 60$는 $\Upsilon(10860)$ 피크에서의 총 수확, $L_{5S} = 121.4$ fb$^{-1}$이다.
• $B_s^*\bar{B}_s^*$ 최종 상태는 재구성된 $B_s$ 메손에 대해 더 엄격한 운동량 절단 조건을 사용하여 분리하고, 비구속 최대우도 피팅을 통해 신호 수확을 추출한다.
• 체계적 불확도는 주로 $b\bar{b}$ 총 단면적과 $B_s$ 하드론화 비율 $f_s = 0.172 \pm 0.030$에 기인하며, 수확 추출 및 사이드밴드 점검에서 추가 기여가 있다.
• 두체 운동역학 임계점 이상의 운동량 사이드밴드 영역을 제어용으로 사용하였으며, 이는 신호가 일관되게 0임을 확인하여 배경 억제가 잘 되었음을 확인한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 10.77–11.02 GeV 범위에서 $e^+e^- \to B_s^{(*)}\bar{B}_s^{(*)}$ 단면적의 에너지 의존성은 어떠한가?
• RQ2 e+e- 결합에서 $B_s^*\bar{B}_s^*$, $B_s\bar{B}_s^{(*)}$, $B_s\bar{B}_s$ 최종 상태의 상대적 생성 비율은 어떠한가?
• RQ3 $\Upsilon(10860) \to B_s^*\bar{B}_s^*$ 붕괴에서 측정된 $B_s^*$의 극화 분포가 무거운 쿼크 스핀 대칭성 예측과 일치하는가?
• RQ4 10.77–11.02 GeV 에너지 범위에서 $B_s^{(*)}\bar{B}_s^{(*)}$ 최종 상태에서 $\Upsilon(11020)$ 공진선 신호가 유의미하게 관측되는가?

주요 결과

• $\sqrt{s} = 10.866$ GeV에서 $B_s^*\bar{B}_s^*$, $B_s\bar{B}_s^{(*)}$, $B_s\bar{B}_s$ 생성 단면적 비율은 $7 : 0.853 \pm 0.106 \pm 0.053 : 0.638 \pm 0.094 \pm 0.033$로 측정되었다.
• $B_s^*$ 극화 분포에서 $S=0$ 성분 비율은 $r = 0.175 \pm 0.057^{+0.022}_{-0.018}$로 측정되었으며, 이는 HQSS 예측값인 $r = 0.25$와의 상당한 이탈을 나타낸다.
• 10.77–11.02 GeV 에너지 범위 전역에서 $B_s^{(*)}\bar{B}_s^{(*)}$ 최종 상태에서 $\Upsilon(11020)$ 공진선에 대한 통계적으로 유의미한 신호는 관측되지 않았다.
• $e^+e^- \to B_s^{(*)}\bar{B}_s^{(*)}$의 측정된 시각화 단면적은 $\Upsilon(10860)$ 공진선의 강력한 신호와 일치한다.
• 사이드밴드 분석은 배경이 극히 미미하며, 두체 임계점 이상의 운동량 창에서 신호 수확이 0과 일관됨을 확인하였다.
• 단면적 측정에서 가장 큰 체계적 불확도는 $b\bar{b}$ 총 단면적과 $B_s$ 하드론화 비율 $f_s$의 병합 불확도에서 기인한다.