[论文解读] Measurement of lepton universality parameters in $B^+ o K^+\ell^+\ell^-$ and $B^0 o K^{*0}\ell^+\ell^-$ decays

LHCb Collaboration, Aaij, R.+1062 more|arXiv (Cornell University)|Jan 1, 2022

Particle physics theoretical and experimental studies被引用 14

一句话总结

本论文利用2011–2018年LHCb实验的9 fb⁻¹数据，首次对B⁺→K⁺ℓ⁺ℓ⁻和B⁰→K*⁰ℓ⁺ℓ⁻衰变过程中的轻子 universality (LU) 进行了同步测量。通过应用严格的粒子识别和多变量选择方法，显著提升了信号纯度并提高了统计灵敏度，得到的RK和RK*值在两个q²区间内与标准模型一致，且超越了以往LHCb的测量结果。

ABSTRACT

A simultaneous analysis of the $B^+ o K^+\ell^+\ell^-$ and $B^0 o K^{*0}\ell^+\ell^-$ decays is performed to test muon-electron universality in two ranges of the square of the dilepton invariant mass, $q^2$. The measurement uses a sample of beauty meson decays produced in proton-proton collisions collected with the LHCb detector between 2011 and 2018, corresponding to an integrated luminosity of $9$ $ ext{fb}^{-1}$. A sequence of multivariate selections and strict particle identification requirements produce a higher signal purity and a better statistical sensitivity per unit luminosity than previous LHCb lepton universality tests using the same decay modes. Residual backgrounds due to misidentified hadronic decays are studied using data and included in the fit model. Each of the four lepton universality measurements reported is either the first in the given $q^2$ interval or supersedes previous LHCb measurements. The results are compatible with the predictions of the Standard Model.

研究动机与目标

• 通过同时分析B⁺→K⁺ℓ⁺ℓ⁻和B⁰→K*⁰ℓ⁺ℓ⁻模式，以更高的精度检验稀有b→sℓ⁺ℓ⁻衰变中的μ子-电子轻子 universality。
• 通过直接从数据中建模残余误识别强子背景，减少系统不确定性，从而在信号纯度方面超越以往LHCb研究。
• 通过优化触发策略和更严格的粒子识别，实现单位亮度下更高的统计灵敏度，从而超越以往LHCb的LU测量。
• 通过交叉检验和使用伪实验量化因改进背景建模带来的系统性偏移，验证分析的稳健性。
• 在两个q²区间（低q²和中q²）内提供RK和RK*的最精确测量，作为标准模型的零检验。

提出的方法

• 对√s = 7、8和13 TeV下pp碰撞的9 fb⁻¹数据中B⁺和B⁰衰变的不变质量分布进行联合无采样扩展最大似然拟合。
• 应用多变量选择和严格的粒子识别（PID）标准，以抑制误识别和部分重建背景。
• 利用共振态B→K*J/ψ衰变（J/ψ→ℓ⁺ℓ⁻）作为归一化通道，以确定探测器修正因子，确保B⁺和B⁰模式之间的一致性。
• 直接从数据中估计残余误识别背景（如K→μ、π→μ）并将其纳入拟合模型，以改善系统不确定性的控制。
• 通过控制样本校准模拟，并使用数据驱动方法推导的效率修正，确保探测器效应建模的准确性。
• 使用伪实验量化因改进PID和背景建模带来的系统性偏移，特别是对电子模式背景的影响。

实验结果

研究问题

• RQ1 在B⁺→K⁺ℓ⁺ℓ⁻衰变中，低q²（0.1–1.1 GeV²/c⁴）和中q²（1.1–6.0 GeV²/c⁴）区间内的轻子 universality 比率RK的值是多少？
• RQ2 在相同q²区间内，RK*的测量结果与标准模型预测及以往LHCb结果相比如何？
• RQ3 与以往LHCb的LU测量相比，改进的粒子识别和背景建模在多大程度上降低了系统不确定性？
• RQ4 在联合统计与系统不确定度范围内，测得的RK和RK*值是否与标准模型一致？
• RQ5 与独立测量相比，B⁺和B⁰衰变的联合分析是否能降低相关性并提高灵敏度？

主要发现

• 低q²区域测得的RK为0.994⁺⁰.⁰⁹⁰₋₀.⁰⁸²（统计）⁺⁰.⁰²⁹₋₀.⁰²⁷（系统），与标准模型预测值0.9936一致。
• 中q²区域测得的RK为0.949⁺⁰.⁰⁴²₋₀.⁰⁴¹（统计）⁺⁰.⁰²²₋₀.⁰²²（系统），相比以往LHCb结果更接近标准模型预测值。
• 低q²区域测得的RK*为0.927⁺⁰.⁰⁹³₋₀.⁰⁸⁷（统计）⁺⁰.⁰³⁶₋₀.⁰³⁵（系统），中q²区域为1.027⁺⁰.⁰⁷²₋₀.⁰⁶⁸（统计）⁺⁰.⁰²⁷₋₀.⁰²⁶（系统），两者均与标准模型预测值0.9832和0.9964一致。
• 通过卡方检验评估所有四项测量与标准模型的联合一致性，得到p值为0.812，显著性为0.2个标准差，表明无新物理的证据。
• RK和RK*的系统性偏移主要归因于对误识别强子背景的改进处理和更严格的PID标准，与以往结果相比，RK的总系统性偏移为0.064。
• 新测量结果超越了以往LHCb对RK（中q²区域）、RK*（低和中q²区域）的测量结果，且为RK在低q²区域的首次测量。