[论文解读] Measurement of the CP violation phase $\phi_s$ in the $B_s$ system at LHCb

G. Raven|arXiv (Cornell University)|Dec 1, 2012

Particle physics theoretical and experimental studies被引用 3

一句话总结

本论文利用 √s = 7 TeV 下 LHC 运行 1 部分的 1 fb⁻¹ 数据，对 B0s→J/ψK+K− 和 B0s→J/ψπ+π− 衰变道中的 CP 破坏相位 φs 进行了迄今为止最精确的直接测量。通过执行时间依赖的角分布分析，并结合两种衰变模式的结果，LHCb 测得 φs = −0.002 ± 0.083（统计）± 0.027（系统）rad，与标准模型一致，并首次直接观测到非零的 ∆Γs。

ABSTRACT

The interference between Bs decay amplitudes to CP eigenstates Jpsi X directly or including Bs-Bsbar oscillation gives rise to a measurable CP violating phase phi_s. Here, a preliminary measurement of phi_s with Bs -> JpsiK+K- decays, and the measurement using Bs->Jpsipi+pi- decays, both obtained from a sample of 1/fb of pp collisions, collected by the LHCb experiment at a centre-of-mass energy sqrt{s}=7 TeV during 2011, are presented. In addition, the determination of the branching fraction and polarization fractions of Bs->JpsiKstbar, which can be used to constrain the contribution of sub-leading penguin contributions to the decay Bs->Jpsi phi, is shown.

研究动机与目标

• 主要目标是高精度测量 B0s 系统中的 CP 破坏相位 φs，以检验标准模型。
• 通过 K+K− 系统的角分布分析，旨在解决 φs 和 ∆Γs 的二重模糊性。
• 通过测量 B0s→J/ψK∗0 中的分支比和极化分数，研究 penguin 衰变在 B0s 衰变中的作用。
• 通过 B0s→J/ψK∗0 通道，对 B0s→J/ψφ 衰变中的次级 penguin 贡献进行约束。
• 本工作实现了对衰变宽度差 ∆Γs 的直接测定，标志着首次直接观测到该参数的非零值。

提出的方法

• 采用无采样最大似然拟合方法，从 B0s→J/ψK+K− 候选事例的不变质量、衰变时间、初始 b 量子数和衰变角中提取 φs。
• 通过建模 J/ψ 和 K+K− 系统的角分布，包括 P 波和 S 波贡献，将 CP 偶分量与 CP 奇分量分离。
• 通过将 PDF 与一个宽度按 1.45 ± 0.06 因子缩放的高斯函数卷积，考虑了衰变时间分辨率的影响，该因子由 J/ψ→μ+μ− 背景获得。
• 利用高 pT 的 μ 子、电子和 K 介子进行味标签，通过 B+→J/ψK+ 衰变校准误标签概率，得到有效标签功率 Q = 2.29%。
• 对于 B0s→J/ψπ+π−，分析利用了 π+π− 系统 >97.7% 为 CP 奇的特性，从而无需进行角分解。
• 两种衰变模式在联合拟合中结合，利用 P 波与 S 波振幅相对相位随 K+K− 质量的变化，解决了 φs–∆Γs 的模糊性。

实验结果

研究问题

• RQ1 B0s 系统中 CP 破坏相位 φs 的精确值是多少？其与标准模型预测相比如何？
• RQ2 衰变宽度差 ∆Γs 的测量值是多少？是否与标准模型预测的非零值一致？
• RQ3 penguin 贡献在 B0s→J/ψK+K− 衰变中测量到的不对称性中起多大作用？能否通过 B0s→J/ψK∗0 通道对其进行约束？
• RQ4 如何利用角分布和质量依赖的可观测量解决 (φs, ∆Γs) 的二重模糊性？
• RQ5 B0s→J/ψK∗0 的极化分数和分支比是多少？它们如何提供对强子矩阵元的启示？

主要发现

• 结合 B0s→J/ψK+K− 和 B0s→J/ψπ+π− 的测量结果，得到 φs = −0.002 ± 0.083（统计）± 0.027（系统）rad，为目前世界最精确的直接测定。
• 该结果与标准模型预测的 φSMs ≈ −2βs ≈ 0 rad 一致，68% 置信水平区间包含零值。
• 测得衰变宽度 Γs 为 0.6580 ± 0.0054（统计）± 0.0066（系统）ps⁻¹，宽度差 ∆Γs 为 0.116 ± 0.018（统计）± 0.006（系统）ps⁻¹。
• 该分析首次直接观测到非零的 ∆Γs，其测量值显著高于零。
• 测得 B0s→J/ψK∗0(892) 的分支比为 (4.4+0.5−0.4 ± 0.8) × 10⁻⁵，极化分数为 fL = 0.50 ± 0.08 ± 0.02，f∥ = 0.19+0.10−0.08 ± 0.02。
• φs 的系统不确定性主要源于角接受度知识不完善以及直接 CP 破坏效应的潜在影响，后者是总不确定性的最大贡献者。