[论文解读] Extracting gamma and Penguin Parameters from B^0_s -> J/psi K_S

K. De Bruyn, Robert Fleischer+1 more|arXiv (Cornell University)|Dec 3, 2010

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

一句话总结

该论文提出利用 B⁰ₛ → J/ψKₛ 衰变测量提取 CKM 角 γ，并控制 LHCb 在 B⁰_d → J/ψKₛ 测量中的强子 penguin 效应。通过利用 U-spin 对称性，该方法可精确测定 penguin 参数 (a, θ)，从而减小 B⁰_d 混合相位 φ_d 的不确定性。在 100 fb⁻¹ 数据下，该方法对 γ 的不确定性达到 3.2°，对 ∆φ_d 的精度达到 0.19°，这对在 B⁰_d–B̄⁰_d 混合中检验新物理至关重要。

ABSTRACT

The B^0_s -> J/psi K_S decay has recently been observed by the CDF collaboration and will be of interest for the LHCb experiment. It is the U-spin partner of the golden B^0_d -> J/psi K_S channel and offers a determination of the angle gamma of the unitarity triangle. Moreover, it allows us to control the hadronic penguin effects in the extraction of the B^0_d-\bar B^0_d mixing phase phi_d through a measurement of CP violation in B^0_d^0 -> J/psi K_S. We discuss the picture emerging for these measurements from an LHCb feasibility study. While LHCb will be able to extract gamma from the CP violation in B^0_d -> J/psi K_S, the main application of this channel will be the determination of hadronic penguin parameters. Such an analysis is actually needed in order to fully exploit LHCb's impressive experimental precision for the determination of phi_d from B^0_d -> J/psi K_S. We give also the target regions for the effective lifetime of B^0_s -> J/psi K_S and its CP-violating observables for improved measurements by CDF and the 2011 data taking at LHCb.

研究动机与目标

• 通过 B⁰ₛ → J/ψKₛ 衰变中的 CP 不守恒测量确定 CKM 角 γ。
• 通过测量 B⁰ₛ → J/ψKₛ 中的 penguin 参数，控制从 B⁰_d → J/ψKₛ 提取 φ_d 时的强子 penguin 贡献。
• 通过利用 B⁰ₛ → J/ψKₛ 的可观测量，考虑 U-spin 破坏效应，提高 LHCb 对 φ_d 测量的精度。
• 为 CDF 和 LHCb 2011 年数据设定 B⁰ₛ → J/ψKₛ 中有效寿命和 CP 不对称性的目标区域。

提出的方法

• 利用 U-spin 对称性，通过交换奇异夸克和下夸克，将 B⁰_d → J/ψKₛ 和 B⁰ₛ → J/ψKₛ 的衰变振幅关联起来。
• 采用振幅关系 A(B⁰ₛ → J/ψKₛ) ∝ (1 − a e^{iθ} e^{iγ})，从 CP 可观测量 C、S 和 H 中提取 γ、a 和 θ。
• 在 √s = 14 TeV 下，对 LHCb 的 6 fb⁻¹ 和 100 fb⁻¹ 数据集进行可行性研究，以估计统计误差。
• 利用 B⁰ₛ → J/ψKₛ 中测量的 CP 不对称性 S 和 C，约束 penguin 参数并校正 B⁰_d → J/ψKₛ 中的 φ_d。
• 将 ∆φ_d 校正与 penguin 参数 (a, θ) 相关联，评估在合理参数值范围内的鲁棒性。
• 将 ∆φ_d 的不确定性与预期的 φ_d 精度进行比较，以确定对 penguin 效应控制的必要程度。

实验结果

研究问题

• RQ1 LHCb 是否能通过 B⁰ₛ → J/ψKₛ 高精度提取 CKM 角 γ？
• RQ2 在 B⁰ₛ → J/ψKₛ 中，penguin 参数 (a, θ) 的确定精度如何，才能有效控制 B⁰_d → J/ψKₛ 中的强子 penguin 效应？
• RQ3 在 LHCb 中，∆φ_d 的精度能达到何种水平，是否与预期的 φ_d 误差相匹配？
• RQ4 γ、a 和 θ 的不确定性如何影响 ∆φ_d 和 φ_d 的确定？
• RQ5 早期 LHCb 数据中，B⁰ₛ → J/ψKₛ 的有效寿命和 CP 不对称性的目标可观测量是什么？

主要发现

• 在 100 fb⁻¹ 数据下，来自 B⁰ₛ → J/ψKₛ 的 γ 的统计不确定性为 3.2°，显著提升了 CKM 单位三角形分析的精度。
• 在 100 fb⁻¹ 下，强子 penguin 修正量 ∆φ_d 的不确定性降低至 0.19°，使得 B⁰_d → J/ψKₛ 中 penguin 效应的控制更加精确。
• 即使 penguin 贡献很小（a = 0.1），也会引起约 -0.5° 的 ∆φ_d 校正，凸显了精确控制的必要性。
• 该方法的精度足以匹配预期的 φ_d 统计误差（在 100 fb⁻¹ 下为 0.2–0.8°）。
• 对于早期 LHCb 数据（1 fb⁻¹），B⁰ₛ → J/ψKₛ 中 CP 不对称性 C 和 S 的灵敏度达到 ∆C = ∆S = 0.34，足以探测信号。
• B⁰ₛ → J/ψKₛ 的有效寿命预测为 τ_J/ψK_s / τ_Bs = 1.060 ± 0.020（|ΔΓ_s^SM / Γ_s|）± 0.010（输入），对 φ_s 和 Γ_s 敏感。