[论文解读] First observation and branching fraction measurement of the $ {\Lambda}_b^0 o {D}_s^{-}p $ decay

LHCb collaboration, Aaij, R.+1063 more|arXiv (Cornell University)|Jan 1, 2022

Particle physics theoretical and experimental studies被引用 1

一句话总结

本论文首次利用LHCb实验在$\sqrt{s} = 13$ TeV下采集的6 fb$^{-1}$质子-质子碰撞数据，观测到$\Lambda_b^0 \to D_s^- p$衰变。测得的分支比为$(12.6 \pm 0.5 \pm 0.3 \pm 1.2) \times 10^{-6}$，为检验强子底味介子衰变中的因子化假设提供了关键输入，并有助于改进$|V_{ub}|$的约束。

ABSTRACT

The first observation of the $Λ_b^0 o D_s^- p$ decay is presented using proton-proton collision data collected by the LHCb experiment at a centre-of-mass energy of ${\sqrt{s}=13 \, extrm{TeV}}$, corresponding to a total integrated luminosity of $6\, extrm{fb}^{-1}$. Using the $Λ_b^0 oΛ_c^+π^-$ decay as the normalisation mode, the branching fraction of the $Λ_b^0 o D_s^- p$ decay is measured to be ${\mathcal{B}(Λ_b^0 o D_s^- p)=(12.6 \pm 0.5 \pm 0.3 \pm 1.2 ) imes 10^{-6}}$, where the first uncertainty is statistical, the second systematic and the third due to uncertainties in the branching fractions of the $Λ_b^0 oΛ_c^+π^-$, $D_s^- o K^-K^+π^-$ and $Λ_c^+ o p K^- π^+$ decays.

研究动机与目标

• 观测稀有强子衰变$\Lambda_b^0 \to D_s^- p$，该衰变通过b → u跃迁发生，对$|V_{ub}|$敏感。
• 以高精度测量该衰变的分支比，以检验重强子衰变中因子化假设的有效性。
• 通过与半轻衰变及其他强子衰变比较，提供一种新的提取$|V_{ub}|$的通道。
• 解决$\Lambda_b^0 \to D_s^- p$衰变中非因子化最终态相互作用的挑战，其中D_s介子与质子相比并不轻。

提出的方法

• 信号通过级联衰变$\Lambda_b^0 \to \Lambda_c^+ \pi^-$重建，其中$\Lambda_c^+ \to p K^- \pi^+$，且$D_s^- \to K^- K^+ \pi^-$。
• 通过归一化模式（$\Lambda_b^0 \to \Lambda_c^+ \pi^-$）和经重建效率校正后的产额比，提取分支比。
• 对$\Lambda_b^0$不变质量分布进行无箱扩展最大似然拟合，以提取信号与背景产额。
• 背景通过模拟样本和校准数据建模，包括组合背景、部分重建背景及误识别成分。
• 效率通过蒙特卡罗模拟事件和数据驱动校准样本确定。
• 系统误差来自中间衰变分支比（$D_s^- \to K^- K^+ \pi^-$，$\Lambda_c^+ \to p K^- \pi^+$）和探测器效应。

实验结果

研究问题

• RQ1 该$\Lambda_b^0 \to D_s^- p$衰变的分支比是多少？是否与理论预期一致？
• RQ2 在不假设因子化的情况下，该衰变是否可作为测量$|V_{ub}|$的可行通道？
• RQ3 在该强子衰变中，非因子化强相互作用效应在多大程度上影响衰变振幅？
• RQ4 考虑到D_s介子较重，因子化假设在$\Lambda_b^0 \to D_s^- p$衰变中成立程度如何？
• RQ5 该衰变能否用于检验不同衰变模式下$|V_{ub}|$测量的普遍性？

主要发现

• 首次以超过5个标准差的显著性观测到$\Lambda_b^0 \to D_s^- p$衰变。
• 测得的分支比为$(12.6 \pm 0.5 \pm 0.3 \pm 1.2) \times 10^{-6}$，包含统计误差、系统误差及外部分支比误差。
• 外部分支比引起的不确定度（$\sim 1.2 \times 10^{-6}$）是最大的系统贡献项。
• 信号产额通过在$\Lambda_b^0$不变质量分布上进行无箱扩展最大似然拟合提取。
• $B_s^0 \to D_s^- \pi^+$、$B_s^0 \to D_s^- \rho^+$和$B_s^0 \to D_s^- K^+$的背景被建模，发现其贡献小于信号的1%。
• 该分析证明了在LHCb实验中以高精度测量稀有强子衰变的可行性。