[论文解读] $B^0_s ightarrow \mu^+\mu^-$ at the LHC

F. Archilli|arXiv (Cornell University)|Sep 10, 2014

Particle physics theoretical and experimental studies参考文献 10被引用 3

一句话总结

本论文利用LHCb和CMS实验的Run I数据，对 $B^0_s \to \mu^+\mu^-$ 和 $B^0 \to \mu^+\mu^-$ 衰变进行了联合分析。首次以 6.2\sigma 的显著性观测到 $B^0_s \to \mu^+\mu^-$ 衰变，测得的分支比为 $ (2.8^{+0.7}_{-0.6}) \times 10^{-9} $，与标准模型预测在 1.2\sigma 范围内一致。

ABSTRACT

Rare leptonic decays of $B_{(s)}^0$ mesons are sensitive probes of New Physics effects. A combination of the CMS and LHCb analyses on the search of the rare decays $B_{s}^0 \ ightarrow \\mu^+\\mu^-$ and $B^0 \ ightarrow \\mu^+\\mu^-$ is presented. The branching fractions of $B_{s}^0 \ ightarrow \\mu^+\\mu^-$ and $B^0 \ ightarrow \\mu^+\\mu^-$ are measured to be $\\mathcal{B}(B_{s}^0 \ ightarrow \\mu^+\\mu^-) = (2.8 \\,^{+0.7}_{-0.6}) \ imes 10^{-9}$ and $\\mathcal{B}(B^0 \ ightarrow \\mu^+\\mu^-) = (3.9 \\,^{+1.6}_{-1.4}) \ imes 10^{-10}$ respectively. A statistical significances of $6.2\\,\\sigma$ is evaluated for $B_{s}^0 \ ightarrow \\mu^+\\mu^-$ from the Wilks' theorem while a significance of $3.0\\, \\sigma$ is measured for $B^0 \ ightarrow \\mu^+\\mu^-$ from the Feldman-Cousins procedure.

研究动机与目标

• 将LHCb和CMS实验在稀有 $B^0_s \to \mu^+\mu^-$ 和 $B^0 \to \mu^+\mu^-$ 衰变上的结果进行联合分析，以提高统计显著性和精度。
• 评估测得的分支比与标准模型预测的相容性，特别是在新物理模型背景下的表现。
• 执行一次同时的非参数扩展最大似然拟合，准确考虑两个实验输入参数之间的相关性。
• 使用威尔克斯定理评估 $B^0_s \to \mu^+\mu^-$ 信号的统计显著性，使用费尔德曼-库尔斯程序评估 $B^0 \to \mu^+\mu^-$ 信号的显著性，以处理低显著性情况。
• 测量分支比之比 $\mathcal{R} = \mathcal{B}(B^0 \to \mu^+\mu^-)/\mathcal{B}(B^0_s \to \mu^+\mu^-)$，并与标准模型预测比较，以检验新物理的存在。

提出的方法

• 对LHCb和CMS数据集的二μ子质量谱执行一次同时的非参数扩展最大似然拟合。
• 拟合包含 $B^0_s \to \mu^+\mu^-$ 和 $B^0 \to \mu^+\mu^-$ 的信号成分，以及来自组合背景、半轻衰变和峰态背景的贡献。
• 使用基于运动学和几何变量的多变量分类器（BDT），通过TMVA框架训练，以分离信号与背景。
• 利用 $J/\psi \to \mu^+\mu^-$ 和 $B^0_s \to \phi \to K^+K^-$ 等共振态对二μ子质量进行标定，并对 $\Lambda^0_b \to p\mu^-\bar{\nu}$ 衰变中的寿命偏差进行额外修正。
• 通过测量的底价子碎片化分数（来自LHCb）将信号产额归一化至 $B^+ \to J/\psi K^+$ 和 $B^0 \to K^+\pi^-$ 衰变。
• 使用威尔克斯定理评估 $B^0_s \to \mu^+\mu^-$ 的显著性，使用费尔德曼-库尔斯程序评估 $B^0 \to \mu^+\mu^-$ 的显著性，以处理低显著性情况。

实验结果

研究问题

• RQ1 是否以足够高的显著性观测到 $B^0_s \to \mu^+\mu^-$ 衰变，从而可宣称发现？
• RQ2 测得的 $B^0_s \to \mu^+\mu^-$ 和 $B^0 \to \mu^+\mu^-$ 分支比与标准模型预测相比如何？
• RQ3 在包含理论不确定度的情况下，测得的 $B^0_s \to \mu^+\mu^-$ 和 $B^0 \to \mu^+\mu^-$ 分支比与标准模型的相容性如何？
• RQ4 分支比之比 $\mathcal{R} = \mathcal{B}(B^0 \to \mu^+\mu^-)/\mathcal{B}(B^0_s \to \mu^+\mu^-)$ 是否与标准模型预测一致？
• RQ5 $B^0 \to \mu^+\mu^-$ 信号的统计显著性是多少？其与纯背景假设相比如何？

主要发现

• $B^0_s \to \mu^+\mu^-$ 衰变首次以 6.2\sigma 的统计显著性被观测到，使用威尔克斯定理进行评估。
• 测得的分支比为 $\mathcal{B}(B^0_s \to \mu^+\mu^-) = (2.8^{+0.7}_{-0.6}) \times 10^{-9}$，与标准模型预测值 $3.66 \times 10^{-9}$ 在 1.2\sigma 范围内一致。
• $B^0 \to \mu^+\mu^-$ 观测到 3.0\sigma 的超额，测得的分支比为 $ (3.9^{+1.6}_{-1.4}) \times 10^{-10} $，与标准模型在 2.2\sigma 范围内相容。
• 分支比之比 $\mathcal{R} = 0.14^{+0.08}_{-0.06}$ 与标准模型预测值 $0.0295^{+0.0028}_{-0.0025}$ 在 2.3\sigma 范围内一致。
• 在包含理论不确定度的情况下，$\mathcal{B}(B^0_s \to \mu^+\mu^-)$ 与标准模型的相容性为 1.2\sigma，$\mathcal{B}(B^0 \to \mu^+\mu^-)$ 为 2.2\sigma。
• $\mathcal{R}$ 的似然函数轮廓显示与标准模型无显著偏离，95% 置信区间包含标准模型值。