[论文解读] Test of lepton flavor universality in B$^{\pm}$ $ o$ K$^{\pm}\mu^+\mu^-$ and B$^{\pm}$ $ o$ K$^{\pm}$e$^+$e$^-$ decays in proton-proton collisions at $\sqrt{s}$ = 13 TeV

Hayrapetyan, Aram, Aram Hayrapetyan+2334 more|arXiv (Cornell University)|Jan 1, 2024

Particle physics theoretical and experimental studies参考文献 77被引用 2

一句话总结

本研究利用2018年在√s = 13 TeV下由CMS实验收集的100亿个b夸克衰变事例，测试了B± → K±μ+μ−和B± → K±e+e−衰变中的轻子味 universality（LFU）。在q²范围1.1–6.0 GeV²内测得的比值R(K) = 0.78+0.47−0.23与标准模型预测的1.0一致，表明未观测到显著的LFU破坏，其统计精度受限于电子道的性能。

ABSTRACT

A test of lepton flavor universality in and decays, as well as a measurement of differential and integrated branching fractions of a nonresonant decay are presented. The analysis is made possible by a dedicated data set of proton-proton collisions at recorded in 2018, by the CMS experiment at the LHC, using a special high-rate data stream designed for collecting about 10 billion unbiased b hadron decays. The ratio of the branching fractions to is determined from the measured double ratio of these decays to the respective branching fractions of the with and decays, which allow for significant cancellation of systematic uncertainties. The ratio is measured in the range , where q is the invariant mass of the lepton pair, and is found to be , in agreement with the standard model expectation . This measurement is limited by the statistical precision of the electron channel. The integrated branching fraction in the same q$^{2}$ range, , is consistent with the present world-average value and has a comparable precision.

研究动机与目标

• 利用质子-质子对撞在√s = 13 TeV下的高精度数据，测试稀有B± → K±ℓ+ℓ−衰变中的轻子味 universality（LFU）。
• 测量非共振B± → K±μ+μ−衰变的微分分支比和积分分支比。
• 通过将B± → J/ψK±衰变（J/ψ → μ+μ−和e+e−）作为双比率归一化，减少系统不确定度。
• 通过b → sℓ+ℓ−跃迁中LFU的偏离，探测标准模型之外的新物理。

提出的方法

• 定义双比率R(K)为分支比B(B± → K±μ+μ−)/B(B± → K±e+e−)的比值，并以相应的J/ψ衰变道进行归一化，以抵消系统不确定度。
• 分析使用2018年LHC数据的专用高流强数据流，收集了约100亿个无偏b强子衰变事例。
• 利用CMS探测器中的粒子流算法、轨迹重建以及μ子和电子的识别，完成信号重建与选择。
• 对K±ℓ+ℓ−不变质量分布应用最大似然拟合，以提取信号事例数和背景贡献。
• 通过控制样本、探测器模拟以及重建和选择标准的变动，评估系统不确定度。
• 测量在q²范围1.1 < q² < 6.0 GeV²内进行，该范围内电子与μ子的相空间相似，从而增强对LFU的敏感性。

实验结果

研究问题

• RQ1 在13 TeV下，B± → K±μ+μ−和B± → K±e+e−衰变中是否存在轻子味 universality（LFU）破坏的证据？
• RQ2 在q²范围1.1–6.0 GeV²内，比值R(K) = B(B± → K±μ+μ−)/B(B± → K±e+e−)的测量值是多少？
• RQ3 测得的R(K)与标准模型预测的1.0相比如何？
• RQ4 在相同q²范围内，B± → K±μ+μ−的积分分支比是多少？与世界平均值相比如何？
• RQ5 系统不确定度在多大程度上影响了R(K)的测量？又是如何被缓解的？

主要发现

• 在q²范围1.1–6.0 GeV²内，测得比值R(K)为0.78+0.47−0.23，与标准模型预测的1.0一致。
• 电子道的统计精度限制了R(K)测量的灵敏度，表明需要改进电子重建效率或使用更大数据集。
• 在相同q²范围内，B± → K±μ+μ−的积分分支比测量为(12.42 ± 0.68) × 10−8，与世界平均值一致，且精度相当。
• 采用J/ψ → μ+μ−和e+e−衰变作为双比率归一化，显著降低了R(K)中的系统不确定度。
• 未观测到轻子味 universality 的显著偏离，支持该稀有衰变道中的标准模型。
• 结果已公开发布于HEPData数据库，包含完整数值数据，便于复现与进一步分析。