[论文解读] Search for $K^0_{\mathrm{S(L)}} oμ^+μ^-μ^+μ^-$ decays at LHCb

LHCb collaboration|arXiv (Cornell University)|Jan 1, 2022

Particle physics theoretical and experimental studies被引用 1

一句话总结

本论文首次基于LHCb实验在$\sqrt{s} = 13$ TeV下收集的5.1 fb$^{-1}$质子-质子碰撞数据，对稀有衰变$K^0_{\mathrm{S(L)}} \to \mu^+\mu^-\mu^+\mu^-$进行了实验搜索。未观测到信号，90%置信水平上限分别为$B(K^0_S \to \mu^+\mu^-\mu^+\mu^-) < 5.1 \times 10^{-12}$和$B(K^0_L \to \mu^+\mu^-\mu^+\mu^-) < 2.3 \times 10^{-9}$，这是对这两种衰变首次建立的约束。

ABSTRACT

A search for $K_{ extrm{S(L)}}^0 ightarrowμ^{+}μ^{-}μ^{+}μ^{-}$ decays is performed using proton-proton collision data collected by the LHCb experiment at a centre-of-mass energy of 13 TeV, corresponding to an integrated luminosity of 5.1 $fb^{-1}$. No evidence for signal is found. The 90\% confidence level upper limits are the first set for both decays and are $B(K_{ extrm{S}}^0 ightarrowμ^{+}μ^{-}μ^{+}μ^{-}) &lt; 5.1 imes 10^{-12}$ and $B(K_{ extrm{L}}^0 ightarrowμ^{+}μ^{-}μ^{+}μ^{-}) &lt; 2.3 imes 10^{-9}$.

研究动机与目标

• 搜索标准模型中高度抑制的罕见味改变中性流衰变$K^0_S \to \mu^+\mu^-\mu^+\mu^-$。
• 首次建立$K^0_S \to \mu^+\mu^-\mu^+\mu^-$和$K^0_L \to \mu^+\mu^-\mu^+\mu^-$衰变分支比的实验上限。
• 探索新物理，特别是可能增强这些分支比的暗物质 sector 模型。
• 使用$K^0_S \to \pi^+\pi^-$衰变作为归一化模式，以减少测量中的系统不确定性。

提出的方法

• 从两个电荷相反的μ子对重建四μ子末态，其二级顶点的不变质量低于600 MeV/$c^2$。
• 通过在信号质量窗口（490–510 MeV/$c^2$）内移除候选事例，实施盲化程序，直至分析完成，以防止偏差。
• 将数据分为两类触发模式：TIS（独立于信号触发）和xTOS（仅由信号μ子触发），以独立分析。
• 基于Pythia 8、EvtGen和Geant4的模拟，用于建模探测器响应、探测效率和选择效应。
• 将分支比相对于$K^0_S \to \pi^+\pi^-$衰变进行测量，以消除共同的系统不确定性。
• 利用LHCb探测器的追踪系统、电磁量能器和μ子系统，实施严格的μ子识别和顶点重建。

实验结果

研究问题

• RQ1 稀有衰变$K^0_S \to \mu^+\mu^-\mu^+\mu^-$的分支比是多少？是否与标准模型预测一致？
• RQ2 LHCb实验能否首次建立$K^0_L \to \mu^+\mu^-\mu^+\mu^-$分支比的实验上限？
• RQ3 新物理（如暗物质 sector 模型）在多大程度上可增强这些四μ子衰变的分支比？
• RQ4 使用$K^0_S \to \pi^+\pi^-$作为归一化模式，在减少系统不确定性方面效果如何？

主要发现

• 在$\sqrt{s} = 13$ TeV下5.1 fb$^{-1}$的数据样本中，未观测到$K^0_S \to \mu^+\mu^-\mu^+\mu^-$衰变的证据。
• 90%置信水平下，$K^0_S \to \mu^+\mu^-\mu^+\mu^-$分支比的上限为$5.1 \times 10^{-12}$。
• 90%置信水平下，$K^0_L \to \mu^+\mu^-\mu^+\mu^-$分支比的上限为$2.3 \times 10^{-9}$，这是首次建立此类上限。
• 四μ子末态的信号质量分辨率约为4 MeV/$c^2$，可实现对$K^0_S$峰的精确重建。
• 自2016年以来，由于降低了p$_T$阈值并引入了新的软件触发算法，该分析在μ子丰富衰变的触发效率方面实现了显著提升。
• 使用$K^0_S \to \pi^+\pi^-$作为归一化模式，能有效抵消与探测效率和亮度相关的系统不确定性。