[论文解读] Search for the rare hadronic decay $B_s^0 o p \bar{p}$

LHCb collaboration, Abdelmotteleb, Ahmed Sameh Wagih+1016 more|arXiv (Cornell University)|Jan 1, 2022

Particle physics theoretical and experimental studies被引用 2

一句话总结

本文利用LHCb实验在$\sqrt{s} = 13$ TeV下收集的6 fb$^{-1}$质子-质子碰撞数据，搜索了稀有强子衰变$B_s^0 \to \bar{p}p$。未观测到信号，90%置信水平下给出分支比上限$B(B_s^0 \to \bar{p}p) < 4.4 \times 10^{-9}$，为目前世界最严格的约束。

ABSTRACT

A search for the rare hadronic decay $B_s^0 o p \bar{p}$ is performed using proton-proton collision data recorded by the LHCb experiment at a center-of-mass energy of 13 TeV, corresponding to an integrated luminosity of 6 fb$^{-1}$. No evidence of the decay is found and an upper limit on its branching fraction is set at ${\cal B}(B_s^0 o p \bar{p}) &lt; 4.4~(5.1) imes 10^{-9}$ at 90% (95%) confidence level; this is currently the world's best upper limit. The decay mode $B^0 o p \bar{p}$ is measured with very large significance, confirming the first observation by the LHCb experiment in 2017. The branching fraction is determined to be ${\cal B}(B^0 o p \bar{p}) = m (1.27 \pm 0.15 \pm 0.05 \pm 0.04) imes 10^{-8}$, where the first uncertainty is statistical, the second is systematic and the third is due to the external branching fraction of the normalization channel $B^0 o K^+π^-$. The combination of the two LHCb measurements of the $B^0 o p \bar{p}$ branching fraction yields ${\cal B}(B^0 o p \bar{p}) = m (1.27 \pm 0.13 \pm 0.05 \pm 0.03) imes 10^{-8}$.

研究动机与目标

• 在$\sqrt{s} = 13$ TeV的质子-质子碰撞中，搜索稀有强子衰变$B_s^0 \to \bar{p}p$。
• 设定比以往更严格的新分支比上限，针对$B_s^0 \to \bar{p}p$衰变。
• 以高精度测量已知的$B^0 \to \bar{p}p$衰变分支比，以确保一致性与归一化。
• 在标准模型框架内，探究交换图与湮灭图在强子底夸克衰变中的作用。

提出的方法

• 分析使用了LHCb探测器在$\sqrt{s} = 13$ TeV下收集的6 fb$^{-1}$ $pp$碰撞数据。
• 通过同时拟合不变质量分布，提取$B^0 \to \bar{p}p$和$B_s^0 \to \bar{p}p$的信号产额。
• 分支比以分支比精确测量且拓扑相似的$B^0 \to K^+\pi^-$衰变模式进行归一化。
• 归一化考虑了探测器效率、重建接受度以及$B^0_s$与$B^0$的强子化比率（$f_s/f_d = 0.2539 \pm 0.0079$）。
• 通过使用具有相似动量学和拓扑特征的控制模式，最小化系统误差。
• 分支比计算公式为：$B(B_s^0 \to \bar{p}p) = \frac{N(B_s^0 \to \bar{p}p)}{N(B^0 \to K^+\pi^-)} \cdot \frac{\varepsilon_{B^0 \to K^+\pi^-}}{\varepsilon_{B_s^0 \to \bar{p}p}} \cdot B(B^0 \to K^+\pi^-) \cdot \frac{f_s}{f_d}$。

实验结果

研究问题

• RQ1 稀有衰变$B_s^0 \to \bar{p}p$的分支比是多少？
• RQ2 LHCb实验能否设定比以往实验更灵敏的$B_s^0 \to \bar{p}p$衰变上限？
• RQ3 $B^0 \to \bar{p}p$与$B_s^0 \to \bar{p}p$的测量分支比与标准模型预测相比如何？
• RQ4 这些测量对理解W交换图与湮灭图在强子底夸克衰变中的作用提供了哪些新见解？

主要发现

• 未观测到$B_s^0 \to \bar{p}p$衰变的显著信号，90%置信水平下上限为$B(B_s^0 \to \bar{p}p) < 4.4 \times 10^{-9}$。
• 95%置信水平下上限提升至$5.1 \times 10^{-9}$，为该稀有衰变提供了目前世界最紧的约束。
• $B^0 \to \bar{p}p$的分支比测量结果为$B(B^0 \to \bar{p}p) = (1.27 \pm 0.15 \pm 0.05 \pm 0.04) \times 10^{-8}$，包含统计误差、系统误差与归一化误差。
• 将本结果与之前LHCb的测量结果结合，得到更精确的分支比$B(B^0 \to \bar{p}p) = (1.27 \pm 0.13 \pm 0.05 \pm 0.03) \times 10^{-8}$。
• 该分析确认了LHCb在2017年首次观测到$B^0 \to \bar{p}p$衰变的结果，显著性水平很高。
• 结果为涉及强子底夸克衰变中非因子化贡献与湮灭图的理论模型提供了关键约束。