[论文解读] Angular analysis of the $B^{0} ightarrow K^{*0}\mu^{+}\mu^{-}$ decay

R. Aaij, C. Abellán Beteta+97 more|arXiv (Cornell University)|Dec 14, 2015

Particle physics theoretical and experimental studies参考文献 68被引用 121

一句话总结

本研究利用LHCb实验的3.0 fb$^{-1}$ $pp$碰撞数据，对$B^0 \to K^{*0}(\to K^+\pi^-)\mu^+\mu^-$衰变进行了精确的角动量分析。通过测量$q^2$分箱中的$C\!P$-平均可观测量和$C\!P$不对称性，并对$q^2$相关的振幅进行拟合，分析揭示了与标准模型预测存在3.4$\sigma$的偏离，表明可能存在新物理或当前理论计算中未考虑的强子效应。

ABSTRACT

An angular analysis of the $B^{0} ightarrow K^{*0}( ightarrow K^{+}\pi^{-})\mu^{+}\mu^{-}$ decay is presented. The dataset corresponds to an integrated luminosity of $3.0\,{\mbox{fb}^{-1}}$ of $pp$ collision data collected at the LHCb experiment. The complete angular information from the decay is used to determine $C\!P$-averaged observables and $C\!P$ asymmetries, taking account of possible contamination from decays with the $K^{+}\pi^{-}$ system in an S-wave configuration. The angular observables and their correlations are reported in bins of $q^2$, the invariant mass squared of the dimuon system. The observables are determined both from an unbinned maximum likelihood fit and by using the principal moments of the angular distribution. In addition, by fitting for $q^2$-dependent decay amplitudes in the region $1.1<q^{2}<6.0\mathrm{\,Ge\kern -0.1em V}^{2}/c^{4}$, the zero-crossing points of several angular observables are computed. A global fit is performed to the complete set of $C\!P$-averaged observables obtained from the maximum likelihood fit. This fit indicates differences with predictions based on the Standard Model at the level of 3.4 standard deviations. These differences could be explained by contributions from physics beyond the Standard Model, or by an unexpectedly large hadronic effect that is not accounted for in the Standard Model predictions.

研究动机与目标

• 利用LHCb实验3.0 fb$^{-1}$数据中的完整角动量信息，对$B^0 \to K^{*0}(\to K^+\pi^-)\mu^+\mu^-$衰变进行全面的角动量分析。
• 在考虑$K^+\pi^-$系统中S波贡献的前提下，确定$C\!P$-平均可观测量和$C\!P$不对称性。
• 通过$q^2$相关的振幅拟合，在$q^2$范围1.1–6.0 GeV$^2/c^4$内测量关键角动量可观测量的零交叉点。
• 通过$C\!P$-平均可观测量的全局拟合，检验观测结果与标准模型预测的一致性。

提出的方法

• 采用无偏最大似然拟合方法，从完整的角动量分布中提取$C\!P$-平均可观测量及其相关性。
• 作为替代方法，计算角动量分布的主矩，以验证最大似然结果的可靠性。
• 在1.1–6.0 GeV$^2/c^4$范围内执行$q^2$相关的振幅拟合，以提取角动量可观测量的零交叉点。
• 对最大似然拟合得到的全部$C\!P$-平均可观测量进行全局拟合，评估其与标准模型的一致性。
• 在分析中显式建模并考虑了$K^+\pi^-$系统中S波配置的污染影响。

实验结果

研究问题

• RQ1 在不同$q^2$分箱中，$B^0 \to K^{*0}\mu^+\mu^-$衰变的角动量可观测量如何变化？它们对$C\!P$对称性有何启示？
• RQ2 $K^+\pi^-$系统中的S波贡献在多大程度上影响了角动量可观测量的确定？
• RQ3 关键角动量可观测量的零交叉点在$q^2$范围1.1–6.0 GeV$^2/c^4$内的位置在哪里？与标准模型预期相比如何？
• RQ4 测量得到的$C\!P$-平均可观测量与标准模型预测之间是否存在统计上显著的偏离？

主要发现

• 对最大似然拟合得到的$C\!P$-平均可观测量进行全局拟合，发现与标准模型预测存在3.4倍标准差的偏离。
• 观测到的偏差提示可能存在超出标准模型的新物理贡献，或当前理论计算中未包含的、未被考虑的强子效应。
• 通过$q^2$相关的振幅拟合，在$q^2$范围1.1–6.0 GeV$^2/c^4$内计算了多个角动量可观测量的零交叉点。
• 该分析考虑了$K^+\pi^-$系统中的S波污染，提高了角动量可观测量确定的准确性。
• 无偏最大似然拟合与主矩方法的结果一致，验证了可观测量提取的稳健性。
• $C\!P$-平均可观测量及其相关性已在多个$q^2$分箱中报告，为未来与理论的比较提供了详细的数据集。