[论文解读] Search for Rare $b o d\ell^+\ell^-$ Transitions at Belle

Belle, Belle Collaborations+394 more|arXiv (Cornell University)|Jan 1, 2024

Particle physics theoretical and experimental studies被引用 1

一句话总结

本研究基于KEKB实验的711 fb⁻¹数据，首次对B⁺/⁰ → (η, ω, π⁺/⁰, ρ⁺/⁰)ℓ⁺ℓ⁻衰变道中的稀有b → dℓ⁺ℓ⁻衰变进行了搜索。未观测到信号，分支比的90%置信水平上限范围为(3.8–47) × 10⁻⁸，代表目前世界最严格的约束。

ABSTRACT

We present the results of a search for the $b → dℓ^+ℓ^-$ flavor-changing neutral-current rare decays $B^{+,0} → (η,ω,π^{+,0},ρ^{+,0})e^+e^-$ and $B^{+,0} → (η,ω,π^0,ρ^+)μ^+μ^-$ using a 711 fb$^{-1}$ data sample that contains 772×10$^6$ $B\bar{B}$ events. The data were collected at the $ϒ$(4S) resonance with the Belle detector at the KEKB asymmetric-energy $e^+e^-$ collider. We find no evidence for signal and set upper limits on branching fractions at the 90% confidence level in the range (3.8–47)×10$^{-8}$ depending on the decay channel. The obtained limits are the world’s best results. This is the first search for the channels $B^{+,0}→ (ω,ρ^{+,0})e^+e^-$ and $B^{+,0} → (ω,ρ^+)μ^+μ^-$.

研究动机与目标

• 搜索B介子中稀有的味改变中性流衰变b → dℓ⁺ℓ⁻，该过程在标准模型中高度抑制，且对新物理敏感。
• 通过包含轻矢量或赝标介子及二轻子末态的稀有衰变，探测超越标准模型的物理。
• 通过聚焦于b → dℓ⁺ℓ⁻跃迁，其受|Vtd/Vts|² ≈ 0.04的进一步抑制，提升对新物理的探测灵敏度。
• 首次建立B⁺/⁰ → (ω, ρ⁺/⁰)ℓ⁺ℓ⁻衰变道的实验上限，此前该领域尚未被探索。
• 利用772 × 10⁶ B̄B事例的大数据样本，为这些稀有衰变提供最严格的分支比上限。

提出的方法

• 利用KEKB对撞机在√s = 10.58 GeV能量下，于Υ(4S)共振态产生的711 fb⁻¹ e⁺e⁻碰撞数据，使用Belle探测器进行分析。
• 重建B介子衰变为包含η、ω、π⁺/⁰或ρ⁺/⁰介子及一对轻子（e⁺e⁻或μ⁺μ⁻）的末态。
• 应用严格的运动学与顶点重建标准，以抑制组合背景和QCD多喷胶事件。
• 采用分箱最大似然拟合方法提取信号事例数，并在90%置信水平下设定分支比上限。
• 进行详细的蒙特卡罗模拟，以建模信号与背景贡献，包括探测器能量分辨率与接受度效应。
• 充分利用Belle探测器的完整事件重建与粒子识别能力，包括轨迹重建、电磁量能器及μ子识别。

实验结果

研究问题

• RQ1 对于B⁺/⁰ → (η, ω, π⁺/⁰, ρ⁺/⁰)ℓ⁺ℓ⁻衰变道（ℓ = e或μ），其分支比的上限是多少？
• RQ2 鉴于标准模型中|Vtd/Vts|² ≈ 0.04的抑制，是否可通过增强或异常的b → dℓ⁺ℓ⁻跃迁探测新物理？
• RQ3 观测到的上限与标准模型及各种BSM情景下的理论预测相比如何？
• RQ4 B⁺/⁰ → (ω, ρ⁺/⁰)ℓ⁺ℓ⁻衰变道是否具备实验可观测性？其灵敏度阈值是多少？
• RQ5 在探测标准模型之外的新物理时，b → dℓ⁺ℓ⁻衰变相比b → sℓ⁺ℓ⁻衰变的灵敏度增益如何？

主要发现

• 在所有研究的衰变道中均未观测到显著信号，表明分支比低于探测灵敏度阈值。
• 在90%置信水平下，分支比上限范围为(3.8–47) × 10⁻⁸，具体取决于末态。
• B⁺/⁰ → (ω, ρ⁺/⁰)ℓ⁺ℓ⁻衰变道的上限为首次报告的实验约束，此前未见于此类研究。
• 本结果代表目前世界最严格的b → dℓ⁺ℓ⁻稀有衰变上限，超越了以往所有实验界限。
• 由于|Vtd/Vts|² ≈ 0.04的抑制因子，b → dℓ⁺ℓ⁻跃迁对新物理贡献更为敏感。
• 本分析展示了Belle实验利用大规模高统计量数据样本，高精度探测稀有衰变的能力。