[论文解读] Search for New Physics in the B0s mixing phase at CDF

D. Tonelli|arXiv (Cornell University)|Oct 17, 2008

Particle physics theoretical and experimental studies参考文献 24被引用 5

一句话总结

本文首次利用CDF实验中时间演化 $B^0_s \to J/\psi\phi$ 衰变测量了 $B^0_s$ 混合相位 $\beta_{s}^{J/\psi\phi}$，以探测标准模型之外的CP破坏。在2.8 fb$^{-1}$ 数据下，观测到与标准模型预测 ($\beta_{s}^{J/\psi\phi} \approx 0.02$) 的1.8$\sigma$ 偏离，68% 置信水平允许区域为 $0.28 < \beta_{s}^{J/\psi\phi} < 1.29$，表明存在持续的张力，暗示可能存在新物理。

ABSTRACT

The Collider Detector at Fermilab (CDF) experiment performed the first measurement of the time-evolution of flavor-tagged B0s-&gt;J/psiphi decays, which probes mixing-induced CP-violation in the B0s sector. Any sizable deviation from zero of the phase beta_s, accessible through interference of the bbar o cbar c sbar quark-level process accompanied or not by B0s-aB0s mixing, would be unambiguous indication of physics beyond the Standard Model. I report CDF results obtained in 1.35/fb, a recent extension to a larger dataset corresponding to 2.8/fb, and future projections.

研究动机与目标

• 测量 $B^0_s$ 混合相位 $\beta_{s}^{J/\psi\phi}$，作为 $B^0_s$ 系统中CP破坏的探针。
• 搜索与标准模型预测 ($\beta_{s}^{\text{SM}} \approx 0.02$) 的偏离，这将表明 $B^0_s$ 混合中存在新物理。
• 约束 $B^0_s$ 混合振幅的相位，该相位仅通过振荡频率测量无法完全确定。
• 通过整合多个触发器的数据并改进粒子识别与本征态标签技术，提高对新物理的敏感度。

提出的方法

• 在费米实验室的 $p\bar{p}$ 对撞数据中重建 $B^0_s \to J/\psi(\to \mu^+\mu^-)\phi(\to K^+K^-)$ 衰变，初始数据为1.35 fb$^{-1}$，后扩展至2.8 fb$^{-1}$。
• 结合轨迹重建、μ子探测、$dE/dx$ 及飞行时间（TOF）测量，以高纯度识别 $J/\psi$ 和 $\phi$ 衰变产物。
• 使用在信号样本和背景带样本上训练的人工神经网络，通过运动学和粒子识别变量优化信背比。
• 在 $\beta_{s}^{J/\psi\phi}$–$\Delta\Gamma$ 平面进行二维似然扫描，通过无用参数分析法考虑系统误差影响。
• 采用贝叶斯方法将27维置信区域投影至二维轮廓，以增强对系统误差波动的鲁棒性。
• 通过假设6 fb$^{-1}$ 或8 fb$^{-1}$ 数据的模拟伪实验，预测未来探测能力，其中 $\Delta\Gamma = 0.1$ ps$^{-1}$。

实验结果

研究问题

• RQ1 是否存在可测量的 $\beta_{s}^{J/\psi\phi}$ 偏离标准模型预测值 $\approx 0.02$？
• RQ2 在仅已知 $B^0_s$ 振荡频率的前提下，能否独立约束 $B^0_s$ 混合相位？
• RQ3 CDF与DØ分析中观测到的 $\beta_{s}^{J/\psi\phi}$ 波动是否一致，提示存在一致的新物理信号？
• RQ4 在未来的6 fb$^{-1}$ 或8 fb$^{-1}$ 数据运行中，CDF实验对标准模型实现 $5\sigma$ 排除的预期灵敏度如何？

主要发现

• 对1.35 fb$^{-1}$ 数据的分析显示，$\beta_{s}^{J/\psi\phi}$ 与标准模型预测存在1.5$\sigma$ 波动，68% 置信水平允许区域为 $0.16 < \beta_{s}^{J/\psi\phi} < 1.41$。
• 扩展至2.8 fb$^{-1}$ 后，偏离显著性增至1.8$\sigma$，68% 置信水平范围收窄为 $0.28 < \beta_{s}^{J/\psi\phi} < 1.29$。
• DØ合作组独立观测到一致波动，其与CDF联合分析显示与标准模型存在2.2$\sigma$ 偏离，68% 置信水平范围为 $\beta_{s}^{J/\psi\phi} \in [0.24, 0.57] \cup [0.99, 1.33]$。
• 似然函数表现出双重对称性，导致两个关于 $(\pi/4, 0)$ 对称的允许区域，分别对应 $\Delta\Gamma > 0$ 和 $\Delta\Gamma < 0$ 的解。
• 假设未来数据为6 fb$^{-1}$ 或8 fb$^{-1}$ 的外推显示，若真实 $\beta_{s}^{J/\psi\phi}$ 值位于观测范围内，实现 $5\sigma$ 标准模型排除的概率（超过50%）很高。
• 当前结果在不确定度范围内与标准模型一致，但多个独立实验中波动方向一致，提示可能存在尚未由完整数据集确认的新物理信号。