[论文解读] Search for Decays of B0 Mesons into Pairs of Leptons

The BABAR Collaboration, B. Aubert|ArXiv.org|Jul 25, 2002

Particle physics theoretical and experimental studies参考文献 2被引用 5

一句话总结

本论文利用在SLAC的B工厂上，B A B AR探测器在Υ(4S)共振态下采集的54.4 fb⁻¹数据，搜索了$B^0$介子衰变为轻子对（$e^+e^-$、$μ^+\mu^-$ 和 $e^\pm\mu^\mp$）的稀有衰变。未观测到显著信号，研究给出了分支比的初步90%置信水平上限：$χ(B^0 \to e^+e^-) < 3.3 \times 10^{-7}$，$χ(B^0 \to \mu^+\mu^-) < 2.0 \times 10^{-7}$，以及$χ(B^0 \to e^\pm\mu^\mp) < 2.1 \times 10^{-7}$。这些结果对标准模型之外的物理学，特别是预测$B$衰变中存在味改变的中性流的模型，形成了有力约束。

ABSTRACT

We present a search for the decays B0-&gt;e+e-, B0-&gt;mu+mu-, and B0-&gt;emu in data collected at the Upsilon(4S) with the BABAR detector at the SLAC B Factory. Using a data set of 54.4 fb-1, we find no evidence for a signal and set the following preliminary upper limits at the 90% confidence level: B(B0-&gt;e+e-)&lt; 3.3*10E-7, B(B0-&gt;mu+mu-) &lt; 2.0*10E-7, and B(B0-&gt;emu) &lt; 2.1*10E-7.

研究动机与目标

• 搜索$B^0$介子衰变为轻子对的稀有味改变中性流衰变，这类衰变在标准模型中高度抑制，对新物理贡献极为敏感。
• 利用来自$\Upsilon(4S)$共振态的大数据样本，对$B^0 \to e^+e^-$、$B^0 \to \mu^+\mu^-$ 和 $B^0 \to e^\pm\mu^\mp$ 衰变的分支比设定严格上限。
• 检验理论预测，并约束标准模型之外的物理模型，特别是涉及轻子味破坏或新重粒子介导$B^0$衰变的模型。
• 评估并包含信号效率和背景估计中的系统不确定性，以确保上限确定的稳健性。

提出的方法

• 分析使用了在SLAC $B$工厂的$\Upsilon(4S)$共振态下，由B A B AR探测器采集的54.4 fb⁻¹数据。
• 通过运动学变量选择信号事件：$m_{\text{ES}}$（束流能量约束质量）和$\Delta E$（能量差），并在$B^0$质量峰附近定义信号区域。
• 背景来自控制区域和蒙特卡罗模拟估计，上限计算中未进行背景减法。
• 使用基于泊松分布的统计方法确定分支比上限，同时考虑信号效率和$B\bar{B}$事例计数中的统计与系统不确定性。
• 通过将泊松分布与$1/S$的高斯误差分布进行卷积，传播系统不确定性，其中$S$为灵敏度。
• 信号效率的不确定性分别为：$e^+e^-$通道8.2%，$\mu^+\mu^-$通道4.7%，$e^\pm\mu^\mp$通道8.2%，主要源于分辨率建模和$N_{\text{mult}}$要求。

实验结果

研究问题

• RQ1 在$B^0 \to e^+e^-$衰变中，分支比是多少？是否超过标准模型的预测？
• RQ2 在大型$B\bar{B}$数据样本中，能否观测到$B^0 \to \mu^+\mu^-$衰变的证据？考虑到其在标准模型中被极度抑制。
• RQ3 是否存在$B^0 \to e^\pm\mu^\mp$衰变的信号？这将表明轻子味破坏并暗示新物理。
• RQ4 信号重建与背景估计中的系统不确定性如何影响稀有$B^0$衰变最终上限的确定？

主要发现

• 在三种$B^0$衰变模式中均未观测到显著信号：$B^0 \to e^+e^-$、$B^0 \to \mu^+\mu^-$ 或 $B^0 \to e^\pm\mu^\mp$。
• 90%置信水平下，$\mathcal{B}(B^0 \to e^+e^-)$的上限为$3.3 \times 10^{-7}$，基于观测到1个事例和背景估计为$0.60 \pm 0.24$个事例。
• $\mathcal{B}(B^0 \to \mu^+\mu^-)$的上限为$2.0 \times 10^{-7}$，未观测到事例，背景估计为$0.49 \pm 0.19$个事例。
• $\mathcal{B}(B^0 \to e^\pm\mu^\mp)$的上限为$2.1 \times 10^{-7}$，未观测到事例，背景估计为$0.51 \pm 0.17$个事例。
• 信号效率的总系统不确定性为：$e^+e^-$通道8.2%，$\mu^+\mu^-$通道4.7%，$e^\pm\mu^\mp$通道8.2%，主要由分辨率建模和$N_{\text{mult}}$选择决定。
• 这些结果在当时是针对这些稀有$B^0$衰变的最严格限制，显著约束了标准模型之外的新物理模型。