[论文解读] Search for Rare Decays of D0 Mesons into Two Muons

LHCb collaboration, Aaij, R.+1071 more|arXiv (Cornell University)|Jan 1, 2022

Particle physics theoretical and experimental studies被引用 4

一句话总结

本文利用质子-质子对撞在 √s = 7、8 和 13 TeV 下的 LHCb 数据，总积分亮度为 9 fb⁻¹，搜索了稀有衰变 D⁰ → μ⁺μ⁻。通过分析 D*⁺ → D⁰π⁺ 衰变并采用先进的多变量技术抑制本底，该研究设定了当前世界最严格的分支分支比上限：在 90% 置信水平下，B(D⁰ → μ⁺μ⁻) < 3.1 × 10⁻⁹，显著限制了标准模型之外的新物理模型。

ABSTRACT

A search for the very rare $D^0 o μ^+μ^-$ decay is performed using data collected by the LHCb experiment in proton-proton collisions at $\sqrt{s} = 7$, 8 and $13~ m{TeV}$, corresponding to an integrated luminosity of $9~ m{fb^{-1}}$. The search is optimised for $D^0$ mesons from $D^{\ast+} o D^0π^+$ decays but is also sensitive to $D^0$ mesons from other sources. No evidence for an excess of events over the expected background is observed. An upper limit on the branching fraction of this decay is set at $\mathcal{B}(D^0 o μ^+μ^-) &lt; 3.1 imes 10^{-9}$ at a $90\%$ CL. This represents the world's most stringent limit, constraining models of physics beyond the Standard Model.

研究动机与目标

• 搜索极为稀有的 D⁰ → μ⁺μ⁻ 衰变，该过程为味改变的中性流过程，在标准模型中高度抑制。
• 通过设定更严格的该分支比上限，提高对标准模型之外新物理的敏感度。
• 利用 LHC 第一阶段和第二阶段的数据，总计 9 fb⁻¹，以增强统计功效并提高本底抑制能力。
• 应用优化的多变量分析与触发策略，以减轻第二阶段因更高亮度和能量带来的本底增加。
• 约束标准模型之外的物理模型，特别是涉及轻子偶素、R-奇偶性破坏的超对称以及向量型费米子的模型。

提出的方法

• 分析聚焦于 D*⁺ → D⁰π⁺ 衰变，以提高信号与本底之比，使用 D⁰ 候选粒子质量与 D*⁺–D⁰ 质量差（∆m）作为关键运动学变量。
• 在二联分布（dimuon invariant mass, m(μ⁺μ⁻)）与 ∆m 上进行联合拟合，以提取信号事例数。
• 将信号事例数归一化至两个强子衰变 D⁰ → K⁻π⁺ 和 D⁰ → π⁺π⁻，二者同时选择以减少系统误差。
• 采用多变量技术，包括 BDT（提升决策树）分类器，以抑制组合本底与误识别本底。
• 系统误差以高斯约束形式纳入拟合，主要贡献来自强子触发效率的标定。
• 在 GammaCombo 框架内应用 CLs 似然方法，以在 90% 和 95% 置信水平下设定分支比上限。

实验结果

研究问题

• RQ1 利用 9 fb⁻¹ 的 LHC 数据，D⁰ → μ⁺μ⁻ 衰变的分支比最严格的上限是多少？
• RQ2 Run 2 中多变量分析与触发效率的改进如何提升对稀有 D⁰ 衰变的敏感度？
• RQ3 D⁰ → μ⁺μ⁻ 衰变速率在多大程度上能约束如轻子偶素或 R-奇偶性破坏的超对称等新物理模型？
• RQ4 观测到的信号显著性与仅含本底的预期相比如何？这对新物理信号意味着什么？
• RQ5 系统误差，特别是触发效率与本底建模的影响，对最终分支比上限有何影响？

主要发现

• 观测到的 D⁰ → μ⁺μ⁻ 分支比为 B(D⁰ → μ⁺μ⁻) = (1.7 ± 1.0) × 10⁻⁹，对应 79 ± 45 个信号事例。
• 信号显著性为 1.5σ，p 值为 0.068，表明未在本底之上观测到显著过量。
• 在 90% 置信水平下，设定上限为 B(D⁰ → μ⁺μ⁻) < 3.1 × 10⁻⁹，相比此前 LHCb 的极限提高了两倍以上。
• 在仅含本底的预期条件下，90% 置信水平下的预期上限为 1.9 × 10⁻⁹，与观测结果一致。
• 该结果对新物理模型具有约束力，特别是那些预测在粲夸克扇区中增强味改变中性流的模型。
• 在本底建模变化（包括分辨率函数与拟合范围调整）下，该结果保持稳定，证实了结果的稳健性。