[论文解读] Search for $B_{s,d}^0 o \mu^+\mu^-$ at LHCb with 300 pb$^{-1}$

Marc-Olivier Bettler|arXiv (Cornell University)|Jan 1, 2011

Particle physics theoretical and experimental studies参考文献 4被引用 2

一句话总结

本文利用 CERN LHCb 实验在 $\sqrt{s} = 7$ TeV 下收集的 300 pb$^{-1}$ 质子-质子碰撞数据，搜索了稀有衰变模式 $B_s^0 \to \mu^+\mu^-$ 和 $B_d^0 \to \mu^+\mu^-$。通过使用提升分类树（Boosted Decision Tree）的多变量分析与不变质量重建，该研究在 95% 置信水平下设定了上限：$B(B_s^0 \to \mu^+\mu^-) < 1.6 \times 10^{-8}$ 和 $B(B_d^0 \to \mu^+\mu^-) < 5.1 \times 10^{-9}$，优于以往的 LHCb 结果，并接近标准模型的预测值。

ABSTRACT

A search for the Bs->mumu and Bd->mumu decays is performed in ~300 pb-1 of pp collisions at sqrt(s) = 7 TeV collected by the LHCb experiment at the Large Hadron Collider at CERN. The measured limit on the branching fraction of the Bs->mumu decay is BR(Bsmumu) < 1.6 10^{-8} at 95% confidence level, while that of the Bd->mumu decay is BR(Bd->mumu) < 5.1 x 10^{-9} at 95% confidence level. A combination with the 2010 dataset of LHCb yields a limit of BR(Bs->mumu) <1.5 x 10^{-8} at 95% confidence level.

研究动机与目标

• 在 $\sqrt{s} = 7$ TeV 的质子-质子碰撞中，搜索稀有 Flavor-Changing Neutral Current 衰变 $B_s^0 \to \mu^+\mu^-$ 和 $B_d^0 \to \mu^+\mu^-$。
• 利用 2011 年 LHCb 实验的 300 pb$^{-1}$ 数据，设定这些衰变分支比的改进上限。
• 将 2011 年数据与 2010 年数据集（37 pb$^{-1}$）结合，以进一步提高对这些稀有衰变的探测灵敏度。
• 检验标准模型预测，并探测新物理贡献的可能性，特别是在 $\tan\beta$ 较大的 MSSM 情景下。

提出的方法

• 分析使用基于几何与运动学变量训练的提升分类树（BDT）多变量判别器，以区分信号与背景。
• 通过控制样本从数据中推导出信号与背景的概率：使用 $B^0_q \to h^+h'^-$ 进行信号校准，使用 $B^0_s \to \mu^+\mu^-$ 的边带区域候选事例进行背景建模。
• 将不变质量分布在 $B_s^0$ 和 $B_d^0$ 质量附近划分为六个等宽区间，BDT 输出划分为四个区间，形成用于统计检验的 24 个单元二维空间。
• 通过在选择和归一化过程中对信号与归一化通道采用相同处理方式，并利用来自控制衰变 $B^+ \to J/\psi K^+$、$B_s^0 \to J/\psi \phi$ 和 $B_d^0 \to K^+\pi^-$ 的归一化因子，最小化系统误差。
• 应用 CLs 方法计算 90% 和 95% 置信水平下的分支比上限，且在分析完成前对信号区域保持数据盲处理。

实验结果

研究问题

• RQ1 基于 $\sqrt{s} = 7$ TeV 下 300 pb$^{-1}$ 的 LHCb 数据，$B_s^0 \to \mu^+\mu^-$ 稀有衰变的分支比上限是多少？
• RQ2 对于 $B_d^0 \to \mu^+\mu^-$ 衰变，观测到的事件分布与仅含背景的假设以及标准模型预测相比如何？
• RQ3 将 2011 年和 2010 年的 LHCb 数据集结合后，对 $B_s^0 \to \mu^+\mu^-$ 衰变的探测灵敏度提高了多少？
• RQ4 在 $B_s^0 \to \mu^+\mu^-$ 通道中，是否存在与标准模型预测一致的、高于背景的信号证据？

主要发现

• 基于 2011 年 300 pb$^{-1}$ 数据，$B_s^0 \to \mu^+\mu^-$ 的 95% 置信水平上限为 $B(B_s^0 \to \mu^+\mu^-) < 1.6 \times 10^{-8}$。
• 基于 2011 年数据，$B_d^0 \to \mu^+\mu^-$ 的 95% 置信水平上限为 $B(B_d^0 \to \mu^+\mu^-) < 5.1 \times 10^{-9}$。
• 在将 2011 年和 2010 年数据集合并（总计 337 pb$^{-1}$）后，$B(B_s^0 \to \mu^+\mu^-)$ 的上限在 95% 置信水平下提升至 $< 1.5 \times 10^{-8}$。
• $B_d^0 \to \mu^+\mu^-$ 衰变的观测 p 值为 21%，在最敏感的 BDT 区间存在轻微过量，但包含标准模型信号时与背景预期一致。
• 当包含标准模型信号时，$B_s^0 \to \mu^+\mu^-$ 的观测 p 值上升至 50%，表明与标准模型预测高度一致。
• 最终 $B(B_s^0 \to \mu^+\mu^-)$ 的上限仍约为标准模型预测值 $3.2 \times 10^{-9}$ 的 4.7 倍。