[论文解读] Bs to mu mu gamma from Bs to mu mu

F. Dettori, Diego Guadagnoli+1 more|arXiv (Cornell University)|Oct 3, 2016

Particle physics theoretical and experimental studies参考文献 18被引用 5

一句话总结

本文提出了一种新方法，通过分析 $B^0_s \to \mu^+\mu^-$ 信号窗口在更低 $m_{\mu\mu}^2$ 区域的低质量延伸区中来自辐射衰变的污染，从未明确重建光子的情况下，从与 $B^0_s \to \mu^+\mu^-$ 搜索相同的样本中提取 $B^0_s \to \mu^+\mu^-\gamma$ 衰变谱。该方法使利用 Run-2 LHC 数据实现对分支比的首次测量或限制成为可能，并通过 $\mathcal{O}_9$ 和 $\mathcal{O}_{10}$ 算符对新物理保持敏感。

ABSTRACT

The Bs to mu mu gamma decay offers sensitivity to a wider set of effective operators than its non-radiative counterpart Bs to mu mu, and a set that is interesting in the light of present-day discrepancies in flavour data. On the other hand, the direct measurement of the Bs to mu mu gamma decay poses challenges with respect to the Bs to mu mu one. We present a novel strategy to search for Bs to mu mu gamma decays in the very event sample selected for Bs to mu mu searches. The method consists in extracting the Bs to mu mu gamma spectrum as a "contamination" to the Bs to mu mu one, as the signal window for the latter is extended downward with respect to the peak region. We provide arguments for the actual practicability of the method already on Run-2 data of the LHC.

研究动机与目标

• 解决由于效率低且本底高，难以测量稀有辐射衰变 $B^0_s \to \mu^+\mu^-\gamma$ 的挑战。
• 利用现有的 $B^0_s \to \mu^+\mu^-$ 事件样本，在无需显式光子重建的情况下提取辐射衰变谱。
• 提供一种实用且基于数据的方法，适用于 Run-2 LHC 数据，以实现对 $\mathcal{B}(B^0_s \to \mu^+\mu^-\gamma)$ 的首次限制或测量。
• 增强对 $\mathcal{O}_9$ 和 $\mathcal{O}_{10}$ 新物理算符的敏感度，这些算符与当前 $b \to s\ell\ell$ 异常现象相关。
• 通过聚焦于格点 QCD 计算更准确的高 $q^2$ 动力学区域，减少对不确定形式因子的依赖。

提出的方法

• 该方法将 $B^0_s \to \mu^+\mu^-\gamma$ 衰变谱作为 $B^0_s \to \mu^+\mu^-$ 信号窗口在更低 $m_{\mu\mu}^2$ 值下扩展时的污染成分进行提取。
• 利用辐射衰变在 $\mu^+\mu^-$ 不变质量分布的低质量尾部有贡献，且与 $B^0_s \to \mu^+\mu^-$ 信号区域重叠的事实。
• 通过利用 $\mu^+\mu^-$ 最终态的运动学和谱结构，避免显式光子重建，后者存在效率和分辨率较低的问题。
• 通过控制道和理论估算，对来自误识别半轻衰变（$B \to h^\pm \mu^\mp \nu$）和稀有衰变（$B \to h^0 \mu^+\mu^-$）的本底进行约束。
• 该方法依赖于基于相对论性夸克模型推导出的 $B^0_s \to \gamma$ 转换形式因子，形式因子不确定性为 10%，分支比预测不确定性为 20%。
• 该分析设计为可在专用拟合中实现，从而利用 Run-2 LHC 数据实现对 $\mathcal{B}(B^0_s \to \mu^+\mu^-\gamma)$ 的首次测量或限制。

实验结果

研究问题

• RQ1 是否可从用于 $B^0_s \to \mu^+\mu^-$ 搜索的相同数据样本中，在无需显式光子重建的情况下提取 $B^0_s \to \mu^+\mu^-\gamma$ 衰变谱？
• RQ2 仅利用 $\mu^+\mu^-$ 不变质量谱在低 $m_{\mu\mu}^2$ 尾部的运动学污染，能多大程度上测量 $B^0_s \to \mu^+\mu^-\gamma$ 衰变率？
• RQ3 在当前 $b \to s\ell\ell$ 衰变中存在异常的背景下，该方法在分辨 $\mathcal{O}_9$ 和 $\mathcal{O}_{10}$ 算符的新物理贡献方面有多高效？
• RQ4 主要系统误差来源是什么？它们是否足够可控，以使在 Run-2 LHC 数据中实现首次测量或限制成为可能？
• RQ5 该方法对误识别半轻衰变和稀有 $B \to \mu^+\mu^- h$ 衰变的本底贡献是否具有鲁棒性？

主要发现

• 该方法可在将 $B^0_s \to \mu^+\mu^-$ 信号窗口扩展至更低 $m_{\mu\mu}^2$ 值时，实现将 $B^0_s \to \mu^+\mu^-\gamma$ 衰变谱作为污染成分的提取。
• 该方法适用于 Run-2 LHC 数据，使实现对 $\mathcal{B}(B^0_s \to \mu^+\mu^-\gamma)$ 的首次测量或限制成为可能。
• 基于 $m_{\mu\mu} \simeq 5.1$ GeV 以下的现有数据，$B^0_s \to \mu^+\mu^-\gamma$ 衰变速率出现数量级增强的可能性极低。
• 通过聚焦于格点 QCD 计算更准确的高 $q^2$ 区域，该方法减少了对不确定形式因子的依赖。
• 通过控制道和理论输入，可对来自误识别半轻衰变和稀有 $B \to \mu^+\mu^- h$ 衰变的本底进行约束，使其可控而非不可约。
• 该方法可推广至其他 $B_q \to \ell^+\ell^-\gamma$ 衰变，为未来在非辐射衰变被充分测量后实现相关测量提供路径。