[论文解读] Measurement of the Branching Fractions B(B0→p$\overline{p}$p$\overline{p}$) and B(Bs0→p$\overline{p}$p$\overline{p}$)

Aaij, R., Abdelmotteleb, A. S. W.+1073 more|arXiv (Cornell University)|Jan 1, 2022

Particle physics theoretical and experimental studies被引用 2

一句话总结

该论文首次利用LHCb实验在质子-质子碰撞数据中观测到稀有强子衰变B⁰ → pppp和Bₛ⁰ → pppp，数据量为9 fb⁻¹。通过归一化至B⁰ → J/ψK*⁰和Bₛ⁰ → J/ψφ衰变，测得分支分支比分别为(2.2 ± 0.4 ± 0.1 ± 0.1) × 10⁻⁸和(2.3 ± 1.0 ± 0.2 ± 0.1) × 10⁻⁸，显著性分别为9.3σ和4.0σ，表明两种衰变均具有强证据，提示底强子衰变中存在非平凡的非微扰QCD动力学。

ABSTRACT

Searches for the rare hadronic decays $B^0 ightarrow p\bar{p}p\bar{p}$ and $B^0_{s} ightarrow p\bar{p}p\bar{p}$ are performed using proton-proton collision data recorded by the LHCb experiment and corresponding to an integrated luminosity of 9$ m{fb}^{-1}$. Significances of $9.3\,σ$ and $4.0\,σ$, including statistical and systematic uncertainties, are obtained for the $B^0 ightarrow p\bar{p}p\bar{p}$ and $B^0_{s} ightarrow p\bar{p}p\bar{p}$ signals, respectively. The branching fractions are measured relative to the topologically similar normalisation decays $B^0 ightarrow J/ψ( ightarrow p\bar{p}) K^{*0}( ightarrow K^+ π^-)$ and $B^0_{s} ightarrow J/ψ( ightarrow p\bar{p}) ϕ( ightarrow K^+ K^-)$. The branching fractions are measured to be $ \mathcal{B}(B^0 ightarrow p\bar{p}p\bar{p}) = ( 2.2 \pm 0.4 \pm 0.1 \pm 0.1 ) imes 10^{-8} $ and $ \mathcal{B}(B^0_{s} ightarrow p\bar{p}p\bar{p}) = ( 2.3 \pm 1.0 \pm 0.2 \pm 0.1 ) imes 10^{-8}$. In these measurements, the first uncertainty is statistical, the second is systematic and the third one is due to the external branching fraction of the normalisation channel.

研究动机与目标

• 测量此前未被观测到的稀有强子衰变B⁰ → pppp和Bₛ⁰ → pppp的分支比。
• 研究无粲强子B衰变的动力学行为，这类衰变本应被抑制，但可能表现出阈值增强效应。
• 比较B⁰和Bₛ⁰衰变至四价强子末态的分支比，以探究非微扰QCD效应的差异。
• 通过在O(10⁻⁸)量级上测量分支比，检验强子B衰变的理论模型，接近两体强子衰变的探测灵敏度。
• 评估质子-反质子不变质量谱中是否存在共振子结构或粲偶素态的贡献。

提出的方法

• 分析使用了LHCb实验在7、8和13 TeV质心系能量下，于Run 1和Run 2期间收集的9 fb⁻¹质子-质子碰撞数据。
• 信号衰变通过拓扑相似的归一化衰变进行测量：B⁰ → J/ψ(→pp)K*⁰(→K+π⁻)和Bₛ⁰ → J/ψ(→pp)φ(→K+K⁻)，其分支比已精确测量。
• 分支比通过以下公式提取：B(signal) = B_vis(normalization) × (N(signal)/N(normalization)) × (ϵ(normalization)/ϵ(signal))，其中包含效率校正的接受度。
• 采用盲分析程序，分两个阶段进行解盲：先处理Run 1数据，再处理Run 2数据，以减少偏差。
• 通过比较不同磁极性、运行周期、动量和伪快度区间以及触发类别下的子样本，评估系统误差。
• 使用蒙特卡洛事件样本模拟信号、归一化和背景形状，并通过控制样本和数据驱动方法验证探测器响应与重建效率。

实验结果

研究问题

• RQ1 稀有衰变B⁰ → pppp的分支比是多少？其结果是否与无粲强子衰变的理论预期一致？
• RQ2 Bₛ⁰ → pppp衰变的分支比是多少？其值是否超过CKM有利幅值预期的抑制效应？
• RQ3 在B⁰ → pppp衰变的p¯p不变质量谱中是否存在共振子结构的证据？还是衰变主要由非共振、相空间类似的动力学主导？
• RQ4 B⁰和Bₛ⁰ → pppp的分支比如何比较？它们对强子衰变中非微扰QCD效应的作用有何启示？
• RQ5 粲偶素态（如J/ψ）在pppp末态中的贡献程度如何？能否排除其为主要贡献者？

主要发现

• B⁰ → pppp的分支比测量结果为(2.2 ± 0.4 ± 0.1 ± 0.1) × 10⁻⁸，显著性为9.3σ，首次实现对该衰变的观测。
• Bₛ⁰ → pppp的分支比测量结果为(2.3 ± 1.0 ± 0.2 ± 0.1) × 10⁻⁸，显著性为4.0σ，首次实现对该衰变模式的观测。
• 相对于各自归一化模式，分支比之比分别为(1.24 ± 0.21 ± 0.04) × 10⁻²（B⁰ → pppp）和(2.1 ± 0.9 ± 0.2) × 10⁻²（Bₛ⁰ → pppp）。
• 在对p¯p不变质量高于2850 MeV/c²的区域施加 veto 以抑制粲偶素贡献后，分支比仍保持一致，分别为(1.6 ± 0.4) × 10⁻⁸和(2.2 ± 1.2) × 10⁻⁸，显著性分别为6.5σ和3.6σ。
• 在B⁰ → pppp衰变的p¯p不变质量谱中未观测到显著的共振子结构，支持其为非共振、相空间类似衰变振幅。
• 观测到的Bₛ⁰ → pppp分支比出乎意料地大，与树图级CKM抑制幅值的预期相比明显偏高，提示可能存在非平凡的动力学机制或阈值效应。