[论文解读] Improved Measurement of CP Violation Parameters in Bs0→J/ψK+K- Decays in the Vicinity of the ϕ(1020) Resonance

LHCb collaboration, R. Aaij+1101 more|arXiv (Cornell University)|Jan 1, 2023

Particle physics theoretical and experimental studies参考文献 50被引用 2

一句话总结

本论文利用在 √s = 13 TeV 下采集的 6 fb⁻¹ LHC Run 2 数据，报告了迄今为止对 B₀ˢ → J/ψK⁺K⁻ 衰变中 CP 破坏参数最精确的单次测量。结果为 ϕₛ = −0.039 ± 0.022 ± 0.006 rad，∆Γₛ = 0.0845 ± 0.0044 ± 0.0024 ps⁻¹，以及 Γₛ − Γₔ = −0.0056⁺⁰.⁰⁰¹³₋⁰.⁰⁰¹⁵ ± 0.0014 ps⁻¹，所有结果均与标准模型预期一致，且在 K⁺K⁻ 系统中未发现极化依赖性。

ABSTRACT

The decay-time-dependent $CP$ asymmetry in $B^0_s o J/ψ( o μ^{+}μ^{-}) K^{+}K^{-}$ decays is measured using proton-proton collision data, corresponding to an integrated luminosity of 6 $fb^{-1}$, collected with the LHCb detector at a center-of-mass energy of 13 TeV. Using a sample of approximately 349 000 $B^{0}_{s}$ signal decays with an invariant $K^{+}K^{-}$ mass in the vicinity of the $ϕ(1020)$ resonance, the $CP$-violating phase $ϕ_s$ is measured, along with the difference in decay widths of the light and heavy mass eigenstates of the $B^0_s$-$\bar{B}^0_s$ system, $ΔΓ_s$, and the difference of the average $B^0_s$ and $B^0$ meson decay widths, $Γ_s-Γ_d$. The values obtained are $ϕ_s = \ -0.039 \pm 0.022 \pm 0.006$ rad, $ΔΓ_s = 0.0845 \pm 0.0044 \pm 0.0024 $ ps$^{-1}$ and $Γ_s-Γ_d = -0.0056 ^{+ 0.0013}_{-0.0015} \pm 0.0014$ ps$^{-1}$, where the first uncertainty is statistical and the second systematic. These are the most precise single measurements to date and are consistent with expectations based on the Standard Model and with the previous LHCb analyses of this decay. These results are combined with previous independent LHCb measurements. The phase $ϕ_s$ is also measured independently for each polarization state of the $K^{+}K^{-}$ system and shows no evidence for polarization dependence.

研究动机与目标

• 利用完整的 Run 2 数据集，提高 B₀ˢ → J/ψK⁺K⁻ 衰变中 CP 破坏参数测量的精度。
• 通过高度敏感于 B₀ˢ–B̄₀ˢ 混合中新物理的 CP 破坏相 ϕₛ，探测标准模型之外的物理。
• 通过改进的校准、PID 和衰变时间分辨率模型，更精确地测量 ∆Γₛ 和 Γₛ − Γₔ。
• 检验 ϕₛ 在 K⁺K⁻ 系统中是否存在极化依赖性，这可能暗示新物理或系统效应。
• 将这些结果与以往 LHCb 的测量结果结合，以优化 ϕₛ 的全球世界平均值。

提出的方法

• 利用 LHCb 探测器在 √s = 13 TeV 下采集的 6 fb⁻¹ 质子-质子碰撞数据。
• 对 2015–2018 年分别训练梯度提升决策树（BDT）分类器，以优化信号与背景比率。
• 采用 sPlot 方法，通过 m(J/ψK⁺K⁻) 分布的扩展最大似然拟合，为候选事例分配信号权重。
• 使用双侧 Crystal Ball 函数建模信号形状，其宽度通过质量不确定度 σₘ 的二阶多项式依赖关系进行调节。
• 通过针对每年数据采集和探测器条件量身定制的专用蒙特卡罗模拟，校正探测器效应。
• 通过统计注入带负权重的模拟事例，减去尖峰背景（例如来自 Λ₀ᵇ → J/ψpK⁻ 的贡献）。

实验结果

研究问题

• RQ1 使用 Run 2 数据，B₀ˢ → J/ψK⁺K⁻ 衰变中 CP 破坏相 ϕₛ 的最精确测量结果是什么？
• RQ2 测得的 ∆Γₛ 和 Γₛ − Γₔ 值与标准模型预测及先前测量结果相比如何？
• RQ3 在 K⁺K⁻ 系统的不同极化态中，是否存在 ϕₛ 极化依赖性的证据？
• RQ4 PID 校准、风味判别和衰变时间分辨率的改进如何影响最终参数的精度？
• RQ5 在纳入此次更新的 LHCb 结果后，ϕₛ 的联合世界平均值是多少？

主要发现

• CP 破坏相 ϕₛ 的测量结果为 −0.039 ± 0.022（统计）± 0.006（系统）rad，为迄今最精确的单次测量结果。
• 衰变宽度差 ∆Γₛ 的测定结果为 0.0845 ± 0.0044（统计）± 0.0024（系统）ps⁻¹。
• 平均衰变宽度之差 Γₛ − Γₔ 的测量结果为 −0.0056⁺⁰.⁰⁰¹³₋⁰.⁰⁰¹⁵（统计）± 0.0014（系统）ps⁻¹。
• 结果与标准模型预期一致，且与以往 LHCb 对同一衰变模式的分析结果一致。
• 在 K⁺K⁻ 系统的各极化态中，未发现 ϕₛ 存在极化依赖性的证据。
• 更新后的结果与以往 LHCb 测量结果结合，进一步支持世界平均值 ϕₛ 与标准模型预测值 −2βₛ ≈ −0.0368 rad 一致。