[论文解读] Lifetimes of some $b$-flavored hadrons

S. Stone|arXiv (Cornell University)|Jun 25, 2014

Particle physics theoretical and experimental studies参考文献 50被引用 8

一句话总结

本文利用CDF和LHCb实验的数据，对底夸克强子的寿命进行了更新测量，重点关注$B_s^0$、$\Xi_b^-$、$\Xi_b^0$和$\Omega_b^-$重子。研究应用了重夸克展开（HQE）理论框架来解释结果，证实了与HQE预测的一致性，并解决了早期关于$\Xi_b^0$相对于$\Lambda_b^0$寿命比值的差异，特别是$\Xi_b^0$寿命比值的精确测量$\tau(\Xi_b^{0})/\tau(\Lambda_b^{0}) = 1.006 \pm 0.018$支持HQE理论，并凸显了非微扰矩阵元在理论不确定性中的作用。

ABSTRACT

Recent measurements of lifetimes of some $b$-flavored hadrons are presented and interpreted in the context of theoretical models, especially the Heavy Quark Expansion. Decay widths and decay width differences in the $B_s^0-\overline{B}_s^0$ system are discussed from studies of decays into the final states $J/ψK^+K^-$, $J/ψπ^+π^-$, $D_s^+D_s^-$, $K^+K^-$, and $D_s^{\pm}π^{\mp}$. Lifetime measurements of the baryons $Λ_b^0$, $Ξ_b^-$, $Ξ_b^0$, and $Ω_b^-$ are also shown.

研究动机与目标

• 利用强子对撞机数据中的衰变时间分布，测量包括$B_s^0$、$\Xi_b^-$、$\Xi_b^0$和$\Omega_b^-$在内的$b$-强子寿命。
• 测试重夸克展开（HQE）理论对$b$-强子寿命的预测，特别是不同$b$-强子种类之间的寿命比值。
• 通过使用可消除探测器接受度系统误差的相对寿命方法，提高$\tau(\Xi_b^{0})/\tau(\Lambda_b^{0})$的测量精度。
• 通过将实验结果与理论预测比较，评估非微扰矩阵元在HQE中的作用。

提出的方法

• 通过拟合$B_s^0 \to J/\psi \, K^+K^-$、$J/\psi \, \pi^+\pi^-$及其他末态的衰变时间分布来提取寿命，考虑了混合和$\Delta\Gamma_s$效应。
• 由于$B_s^0$-$\bar{B}_s^0$混合，衰变时间分布被建模为两个指数函数之和，其中$\Gamma_s$、$\Delta\Gamma_s$和$\mathcal{A}_{\Delta\Gamma}$参数通过拟合获得。
• 对于$\Xi_b^0$和$\Lambda_b^0$，通过在衰变时间区间内测量$\Xi_b^0 \to \Xi_c^+ \pi^-$和$\Lambda_b^0 \to \Lambda_c^+ \pi^-$的产额比，并利用蒙特卡罗模拟对探测器效率进行修正，来测定相对寿命比。
• 该方法利用已知精确的$\tau(\Lambda_b^0) = 1.468 \pm 0.009$ ps来提取$\tau(\Xi_b^0)$，从而最小化接受度相关的系统误差。
• 通过HQE理论框架比较理论预测，该理论将寿命比值与非微扰矩阵元关联，其不确定性主要来自未知的矩阵元。
• 分析结合了CDF和LHCb的结果，正确传播了统计与系统误差，并使用加权平均法提高精度。

实验结果

研究问题

• RQ1 测量的$B_s^0$、$\Xi_b^-$、$\Xi_b^0$和$\Omega_b^-$强子寿命与重夸克展开（HQE）理论预测相比如何？
• RQ2 $\tau(\Xi_b^{0})/\tau(\Lambda_b^{0})$寿命比的精确值是多少？它如何约束HQE理论和非微扰矩阵元？
• RQ3 $B_s^0$衰变时间分布因$\Delta\Gamma_s$和$\mathcal{A}_{\Delta\Gamma}$而偏离单指数衰减的程度如何？这些参数如何被提取？
• RQ4 为什么$\tau(B^-)/\tau(\bar{B}_d^0)$比值大于1？HQE框架中的泡利互换效应如何解释这一现象？
• RQ5 能否通过一种可消除探测器接受度效应的相对寿命方法，以高精度测量$\tau(\Xi_b^{0})/\tau(\Lambda_b^{0})$比值？

主要发现

• $\Xi_b^0$的寿命测量结果为$\tau(\Xi_b^{0}) = 1.477 \pm 0.026 \pm 0.014 \pm 0.013$ ps，最后一项不确定性来自$\tau(\Lambda_b^0)$的精度。
• 比值$\tau(\Xi_b^{0})/\tau(\Lambda_b^{0}) = 1.006 \pm 0.018 \pm 0.010$与HQE预测一致，并优于以往测量结果。
• $\Omega_b^-$的寿命测量结果为$1.57 \pm 0.21$ ps，与CDF和LHCb结果的平均值一致。
• $\Xi_b^-$的寿命测量结果为$1.47 \pm 0.08$ ps，与HQE预期值良好一致。
• $\tau(B^-)/\tau(\bar{B}_d^0)$比值略大于1，这一现象在HQE框架中由泡利互换效应解释。
• 通过多种衰变模式约束了$\tau(\bar{B}_s^0)$和$\Delta\Gamma_s$，$\tau(\bar{B}_s^0)$与HQE预测一致，且通过清洁衰变模式的平均可望获得更高精度。