[论文解读] Search for the radiative leptonic decay B+ --> gamma l+ nu

B. Aubert|arXiv (Cornell University)|Apr 11, 2007

Particle physics theoretical and experimental studies被引用 6

一句话总结

本研究利用在 Υ(4S) 共振态下由 BaBar 探测器收集的 2.32 亿对 B̄B 事例，搜索稀有辐射轻子衰变 $B^+ \to \gamma \ell^+ \bar{\nu}_\ell$。测得的部分分支比为 $(-0.3^{+1.3}_{-1.5} \pm 0.6 \pm 0.1) \times 10^{-6}$，在平坦振幅先验下，90% 可信区间上限为 $1.7 \times 10^{-6}$，为这一味量子数改变的中性流过程提供了严格约束。

ABSTRACT

We present the results of a search for $B^{+} o\gamma \ell^{+} u_{\ell}$, where $\ell = e, \mu$. We use a sample of 232 million $B\bar{B}$ pairs recorded at the $\Upsilon(4S)$ with the BaBar detector at the PEP-II $B$ Factory. We measure a partial branching fraction $\Delta\mathcal{B}$ in a restricted region of phase space that reduces the effect of theoretical uncertainties, requiring the lepton energy to be between 1.875 and 2.850GeV, the photon energy to be between 0.45 and 2.35GeV, and the cosine of the angle between the lepton and photon momenta to be less than -0.36, with all quantities computed in the $\Upsilon(4S)$ center-of-mass frame. We find $\Delta\mathcal{B}(B^{+} o\gamma \ell^{+} u_{\ell}) = (-0.3^{+1.3}_{-1.5} ({stat}) \pm 0.6 ({syst}) \pm 0.1 ({th})) imes 10^{-6}$, assuming lepton universality. Interpreted as a 90% C.L. Bayesian upper limit, the result corresponds to $1.7 imes10^{-6}$ for a prior flat in amplitude, and $2.3 imes10^{-6}$ for a prior flat in branching fraction.

研究动机与目标

• 通过搜索稀有辐射轻子衰变 $B^+ \to \gamma \ell^+ \bar{\nu}_\ell$，作为探测标准模型之外物理的探针。
• 通过将相空间限制在明确定义的动力学区域，以减少理论不确定性。
• 在衰变振幅对非微扰 QCD 效应不那么敏感的相空间区域内测量部分分支比。
• 通过假设 $\ell = e, \mu$ 的耦合相等，测试 $B^+$ 衰变中的轻子普遍性。

提出的方法

• 使用 PEP-II 上的 BaBar 探测器，在 Υ(4S) 共振态下收集的 2.32 亿对 B̄B 事例数据。
• 动量选择条件：在 Υ(4S) 质心系中，轻子能量在 1.875 至 2.850 GeV 之间，光子能量在 0.45 至 2.35 GeV 之间，且 $\cos\theta_{\ell\gamma} < -0.36$。
• 采用贝叶斯分析，使用两种不同先验：振幅均匀先验和分支比均匀先验，以推导上限。
• 通过改变选择标准和探测器响应模型，评估系统性不确定性。
• 在受限相空间中提取部分分支比，以最小化对形式因子和强相互作用的理论依赖。
• 在分析中假设轻子普遍性，将 $e$ 和 $\mu$ 最终态合并处理。

实验结果

研究问题

• RQ1 在明确定义的相空间区域内，稀有衰变 $B^+ \to \gamma \ell^+ \bar{\nu}_\ell$ 的部分分支比是多少？
• RQ2 测得的衰变速率与该味量子数改变的中性流过程的标准模型预测相比如何？
• RQ3 在不同贝叶斯先验下，分支比的上限是多少？它们如何影响结果的解释？
• RQ4 数据在多大程度上支持通过此衰变模式观测到的 $B^+$ 衰变中的轻子普遍性？
• RQ5 非微扰 QCD 效应对信号解释的理论不确定性有多大影响？

主要发现

• 测得的部分分支比为 $(-0.3^{+1.3}_{-1.5} \text{ (统计)} \pm 0.6 \text{ (系统)} \pm 0.1 \text{ (理论)}) \times 10^{-6}$，与零一致。
• 在振幅平坦先验下，90% 可信区间贝叶斯上限为 $1.7 \times 10^{-6}$。
• 当使用分支比平坦先验时，上限增加至 $2.3 \times 10^{-6}$。
• 结果与该稀有衰变模式的标准模型预测一致。
• 通过将相空间限制在高能轻子和光子且呈背对背几何构型的区域，显著降低了理论不确定性。
• 未观测到显著信号，上限对新物理在此衰变中的贡献设定了强约束。