[论文解读] Latest results on rare decays from LHCb

Christoph Michael Langenbruch|arXiv (Cornell University)|May 15, 2015

Particle physics theoretical and experimental studies参考文献 45被引用 11

一句话总结

本文报告了LHCb实验在稀有B介子衰变方面的最新结果，重点分析了使用完整Run I数据样本的$B^0 \to K^{*0}\mu^+\mu^-$的角分布。结果确认在两个$q^2$区间内，$P_5'$可观测量存在$2.9\sigma$的偏离，而其他可观测量与标准模型一致；同时报告了$R_K$和$B_s^0 \to \phi\mu^+\mu^-$分支比的张力，提示可能存在超出标准模型的新物理。

ABSTRACT

Rare flavour changing neutral current decays are sensitive indirect probes for new effects beyond the Standard Model (SM). In the SM, these decays are forbidden at tree level and are therefore loop-suppressed. In SM extensions, new, heavy particles can significantly contribute and affect both their branching fractions as well as their angular distributions. The rare decay $B^0 o K^{*0}( o K^+π^-)μ^+μ^-$ is of particular interest, since it gives access to many angular observables, allowing to model-independently test the operator structure of the decay. A previous analysis of the angular distributions of the final state particles showed interesting tensions with SM predictions using the data sample taken by the LHCb detector during 2011. These proceedings will summarize latest results on rare decays from the LHCb experiment with emphasis on the angular analysis of the decay $B^0 o K^{*0}μ^+μ^-$, using the full Run I data sample of the LHCb experiment.

研究动机与目标

• 通过高精度的$B^0 \to K^{*0}\mu^+\mu^-$角分布分析，检验标准模型（SM）在稀有$b \to s\mu^+\mu^-$衰变中的适用性。
• 通过与衰变算符结构敏感的模型无关可观测量，探测新物理。
• 利用完整的Run I数据集（3 fb$^{-1}$）解决早期数据中发现的轻子普适性与分支比的张力。
• 通过改进的选择与拟合技术（包括无箱最大似然拟合和减少强子不确定性）提高对新物理的敏感度。

提出的方法

• 对完整的Run I LHCb数据集（3 fb$^{-1}$）进行无箱最大似然拟合，输入变量包括$K^+\pi^-\mu^+\mu^-$的不变质量、$K^+\pi^-$质量以及三个衰变角（$\cos\theta_K$、$\cos\theta_l$、$\phi$）。
• 利用完整的$B^0 \to K^{*0}\mu^+\mu^-$振幅模型描述角分布，包含$F_L$、$A_{\text{FB}}$和$S_i$可观测量，其中$P_5' = S_5 / \sqrt{F_L(1-F_L)}$作为关键的无形式因子依赖探针。
• 通过多变量分类器和严格筛选条件选择信号事例，以抑制组合背景和峰态背景，同时使用$B^0 \to J/\psi K^{*0}$等控制衰变进行校准。
• 对$B^0 \to K^{*0}e^+e^-$进行低$q^2$角分布分析，通过$A_T^{(2)}$和$A_T^{\text{Im}}$探测光子极化，这些可观测量对右手中性流敏感。
• 进行全局拟合以评估与标准模型的一致性，并评估$P_5'$、$R_K$和$B_s^0 \to \phi\mu^+\mu^-$张力的显著性。
• 报告了全部八个角可观测量的协方差矩阵，以实现与理论预测的精确比较。

实验结果

研究问题

• RQ1 在$q^2$范围4–8 GeV$^2$/c$^4$内，$B^0 \to K^{*0}\mu^+\mu^-$中的角可观测量$P_5'$是否偏离标准模型预测？
• RQ2 测量得到的$R_K$比值是否与轻子普适性一致，是否与标准模型存在张力？
• RQ3 在$1 < q^2 < 6$ GeV$^2$/c$^4$范围内，$B_s^0 \to \phi\mu^+\mu^-$的分支比是否与最新理论预测一致？
• RQ4 在$B^0 \to K^{*0}e^+e^-$中的角可观测量是否与标准模型一致，特别是对光子极化敏感的$A_T^{(2)}$和$A_T^{\text{Im}}$？
• RQ5 是否存在单一新物理模型能够同时解释$P_5'$、$R_K$和$B_s^0 \to \phi\mu^+\mu^-$中的多重张力？

主要发现

• $B^0 \to K^{*0}\mu^+\mu^-$中的$P_5'$可观测量在$q^2$区间4–6 GeV$^2$/c$^4$和6–8 GeV$^2$/c$^4$内，与标准模型预测存在$2.9\sigma$的偏离。
• $R_K$比值（衡量$B^0 \to K^{*0}\mu^+\mu^-$与$B^0 \to K^{*0}e^+e^-$中的轻子普适性）与标准模型存在$2.6\sigma$的张力。
• $B_s^0 \to \phi\mu^+\mu^-$在$1 < q^2 < 6$ GeV$^2$/c$^4$范围内的分支比比最新理论预测低$3.1\sigma$。
• $B^0 \to K^{*0}e^+e^-$中的角可观测量——$F_L = 0.16 \pm 0.06 \pm 0.03$，$A_T^{(2)} = -0.23 \pm 0.23 \pm 0.05$，$A_T^{\text{Re}} = 0.10 \pm 0.18 \pm 0.05$，$A_T^{\text{Im}} = 0.14 \pm 0.22 \pm 0.05$——与标准模型预测一致。
• 包含更新后的$B^0 \to K^{*0}\mu^+\mu^-$角可观测量的全局拟合显示，新物理解比标准模型优$3.7\sigma$。