[论文解读] Evidence for $B^{+} o K^{+} u\bar{ u}$ Decays

Belle II Collaboration, I. Adachi+453 more|arXiv (Cornell University)|Jan 1, 2023

Particle physics theoretical and experimental studies参考文献 44被引用 10

一句话总结

本论文利用Belle II实验在Υ(4S)共振能区采集的362 fb⁻¹ e⁺e⁻碰撞数据，首次提供了B⁺ → K⁺νν̄衰变的证据。通过采用机器学习进行包含型事例标记以抑制背景，并利用强子事例标记验证结果，联合分析得到的分支比为(2.3 ± 0.5(统计)⁺⁰.⁵₋₀.⁴(系统)) × 10⁻⁵，显著性达3.5σ，高于标准模型预测2.7σ。

ABSTRACT

We search for the rare decay $B^{+} ightarrow K^{+} u\bar{ u}$ in a $362\ m{fb}^{-1}$ sample of electron-positron collisions at the $\Upsilon(4S)$ resonance collected with the Belle II detector at the SuperKEKB collider. We use the inclusive properties of the accompanying $B$ meson in $\Upsilon(4S) o B\kern 0.18em\overline{\kern -0.18em B}{}$ events to suppress background from other decays of the signal $B$ candidate and light-quark pair production. We validate the measurement with an auxiliary analysis based on a conventional hadronic reconstruction of the accompanying $B$ meson. For background suppression, we exploit distinct signal features using machine learning methods tuned with simulated data. The signal-reconstruction efficiency and background suppression are validated through various control channels. The branching fraction is extracted in a maximum likelihood fit. Our inclusive and hadronic analyses yield consistent results for the $B^{+} ightarrow K^{+} u\bar{ u}$ branching fraction of $\left[2.7\pm 0.5(\mathrm{stat})\pm 0.5(\mathrm{syst}) ight] imes 10^{-5}$ and $\left[1.1^{+0.9}_{-0.8}(\mathrm{stat}){}^{+0.8}_{-0.5}(\mathrm{syst}) ight] imes 10^{-5}$, respectively. Combining the results, we determine the branching fraction of the decay $B^{+} ightarrow K^{+} u\bar{ u}$ to be $\left[2.3 \pm 0.5(\mathrm{stat})^{+0.5}_{-0.4}(\mathrm{syst}) ight] imes 10^{-5}$, providing the first evidence for this decay at $3.5$ standard deviations. The combined result is $2.7$ standard deviations above the standard model expectation.

研究动机与目标

• 主要目标是搜索稀有的味改变中性流衰变B⁺ → K⁺νν̄，该过程在标准模型中高度抑制，但对新物理敏感。
• 本研究旨在通过利用Υ(4S) → BB事例中伴随B介子的包含型事例标记，克服因不可见中微子和大背景带来的实验挑战。
• 目标包括使用在模拟数据上优化的机器学习技术，验证信号重建和背景抑制效果。
• 通过最大似然拟合方法，以受控的系统误差提取分支比。
• 目标是判断观测到的信号是否偏离标准模型预测，从而可能揭示标准模型之外的新物理。

提出的方法

• 信号在√s = 10.56 GeV的e⁺e⁻碰撞中重建，通过Υ(4S)共振衰变产生BB对。
• 采用包含型事例标记，利用伴随B介子(Btag)的运动学特性，抑制来自其他B衰变和轻夸克对的背景。
• 基于提升决策树(BDT)的多变量分类器在模拟数据上训练，使用21个变量（包括运动学、拓扑和顶点重建特征）区分信号与背景。
• 通过优化BDT参数重建的控制道（如B⁺ → K⁺K₀K₀和B⁰ → K₀K⁺K⁻）验证信号重建效率和背景抑制效果。
• 最终通过无采样最大似然拟合提取分支比，信号分布采用高斯或Crystal Ball函数建模，背景分布采用切比雪夫多项式建模。
• 通过专门研究评估系统误差，包括π介子误识别的数据-模拟修正，以及D介子和连续态背景的归一化调整。

实验结果

研究问题

• RQ1 在Belle II数据集中，B⁺ → K⁺νν̄衰变是否在背景之上表现出可测量的信号？
• RQ2 利用Btag介子的包含型事例标记是否能有效抑制来自其他B衰变和轻夸克对产生的背景？
• RQ3 在不可见末态衰变中，基于模拟数据训练的机器学习分类器在多大程度上提升了信号重建效率和背景抑制效果？
• RQ4 观测到的信号是否与标准模型预测的(5.58 ± 0.37) × 10⁻⁶一致？
• RQ5 观测信号的显著性如何？是否表明与标准模型存在偏离？

主要发现

• 包含型分析得到B⁺ → K⁺νν̄衰变的分支比为(2.7 ± 0.5(统计) ± 0.5(系统)) × 10⁻⁵。
• 强子事例标记分析得到的分支比为(1.1⁺⁰.⁹₋₀.⁸(统计)⁺⁰.⁸₋₀.⁵(系统)) × 10⁻⁵。
• 联合结果为(2.3 ± 0.5(统计)⁺⁰.⁵₋₀.⁴(系统)) × 10⁻⁵，首次以3.5个标准差的显著性提供了该衰变的证据。
• 测量得到的分支比比标准模型预测的(5.58 ± 0.37) × 10⁻⁶高出2.7个标准差。
• q²_rec分布的数据-模拟比值在D介子质量阈值以下存在偏差，导致D → K₀ᴸX衰变样本的归一化调整为30 ± 2%。
• 基于分箱样本组成拟合，将非共振连续态背景归一化的系统误差提高至50%，从而改善了与数据的一致性。