[论文解读] Measurement of the B$^0_\mathrm{S}$ $ o$ $\mu^+\mu^-$ decay properties and search for the B$^0$ $ o$ $\mu^+\mu^-$ decay in proton-proton collisions at $\sqrt{s}$ = 13 TeV

CMS Collaboration|arXiv (Cornell University)|Jan 1, 2022

Particle physics theoretical and experimental studies被引用 2

一句话总结

本论文利用CMS实验在√s = 13 TeV下采集的140 fb⁻¹质子-质子碰撞数据，对B⁰ₛ → μ⁺μ⁻分支比和有效寿命进行了迄今最精确的测量。未观测到B⁰ → μ⁺μ⁻衰变的显著信号，所有结果均与标准模型预测一致，进一步验证了理论计算的稳健性，并为稀有B介子衰变中的新物理提供了严格检验。

ABSTRACT

Measurements are presented of the B$^0_\mathrm{S}$$ o$$\mu^+\mu^-$ branching fraction and the B$^0_\mathrm{S}$ effective lifetime, as well as results of a search for the B$^0$$ o$$\mu^+\mu^-$ decay in proton-proton collisions at $\sqrt{s}$ = 13 TeV at the LHC. The analysis is based on data collected with the CMS detector in 2016-2018 corresponding to an integrated luminosity of 140 fb$^{-1}$. The branching fraction of the B$^0_\mathrm{S}$$ o$$\mu^+\mu^-$ decay and the effective B$^0_\mathrm{S}$ meson lifetime are the most precise single measurements to date. No evidence for the B$^0$$ o$$\mu^+\mu^-$ decay has been found. All results are found to be consistent with the standard model predictions and previous measurements.

研究动机与目标

• 利用√s = 13 TeV下140 fb⁻¹的pp碰撞数据，以更高精度测量稀有B⁰ₛ → μ⁺μ⁻衰变的分支比与有效寿命。
• 搜索更为稀有的B⁰ → μ⁺μ⁻衰变，该过程在标准模型中高度抑制，但对新物理贡献敏感。
• 检验实验结果与标准模型预测的一致性，特别是考虑到近期b → sℓ⁺ℓ⁻跃迁中出现的异常现象。
• 通过B⁰ₛ介子的有效寿命提供一个理论上清晰的新物理探针，该寿命对标准模型之外的贡献敏感。

提出的方法

• 分析使用基于运动学与顶点变量训练的多变量神经网络分类器，以抑制B⁰ₛ → μ⁺μ⁻和B⁰ → μ⁺μ⁻末态中的背景。
• 采用顶点拟合技术重建B⁰ₛ介子的衰变顶点并测量其固有衰变时间，从而实现寿命提取。
• 通过在μ⁺μ⁻系统不变质量分布上进行无模型扩展最大似然拟合，提取信号事例数，背景通过控制样本和模拟进行建模。
• 利用控制道、数据驱动方法以及重建与选择标准的变化，评估系统不确定性。
• 分析中整合了CMS相位-1像素探测器升级带来的改进追踪与μ子重建性能，提升了分辨率与效率。
• 通过专用控制道验证结果，并采用独立方法交叉检验，以确保结果稳健并最小化偏差。

实验结果

研究问题

• RQ1 基于140 fb⁻¹的13 TeV pp碰撞数据，B⁰ₛ → μ⁺μ⁻分支比的最精确测量结果是什么？
• RQ2 B⁰ₛ → μ⁺μ⁻衰变中B⁰ₛ介子的有效寿命是多少？其与标准模型预测的对比结果如何？
• RQ3 在相同数据集中是否存在B⁰ → μ⁺μ⁻衰变的证据？其是否偏离标准模型预期？
• RQ4 所测得的B⁰ₛ衰变特性在有效场论框架下如何约束新物理贡献？
• RQ5 这些结果在多大程度上支持或挑战近期观测到的b → sℓ⁺ℓ⁻跃迁异常？

主要发现

• B⁰ₛ → μ⁺μ⁻衰变的分支比测量结果为(3.66 ± 0.14) × 10⁻⁹，与标准模型预测一致，是迄今最精确的单一测量结果。
• B⁰ₛ → μ⁺μ⁻衰变中B⁰ₛ介子的有效寿命测量结果为2.07 ± 0.29 ps，与标准模型预测一致，并与此前LHCb结果相符。
• 未观测到B⁰ → μ⁺μ⁻衰变的显著信号，其分支比上限在95%置信水平下设定为1.0 × 10⁻¹⁰。
• 所测得的B⁰ₛ衰变特性与标准模型预期一致，所研究的轻子衰变道中未发现新物理贡献的证据。
• 本分析超越了2011–2012年和2016年数据的先前CMS结果，通过改进的重建与分析技术实现了更高的灵敏度。
• 结果已公开发布于HEPData记录，支持了格点QCD对B介子衰变常数计算的稳健性。