[论文解读] Test of lepton universality in $b ightarrow s \ell^+ \ell^-$ decays

LHCb collaboration, Aaij, R.+1062 more|arXiv (Cornell University)|Jan 1, 2022

Particle physics theoretical and experimental studies被引用 15

一句话总结

本论文首次利用2011–2018年LHCb探测器采集的9 fb⁻¹数据，对非共振态B⁺→K⁺ℓ⁺ℓ⁻与B⁰→K*⁰ℓ⁺ℓ⁻衰变中的轻子 universality 进行了同步测试。通过在两个q²区间（低和中）测量R(K)与R(K*)，结果与标准模型一致，不确定性低于5%，并首次采用J/ψ与ψ(2)共振态实现统一、稳健的校准，有效降低了与探测器相关的系统偏差。

ABSTRACT

The first simultaneous test of muon-electron universality using $B^{+} ightarrow K^{+}\ell^{+}\ell^{-}$ and $B^{0} ightarrow K^{*0}\ell^{+}\ell^{-}$ decays is performed, in two ranges of the dilepton invariant-mass squared, $q^{2}$. The analysis uses beauty mesons produced in proton-proton collisions collected with the LHCb detector between 2011 and 2018, corresponding to an integrated luminosity of 9 $\mathrm{fb}^{-1}$. Each of the four lepton universality measurements reported is either the first in the given $q^{2}$ interval or supersedes previous LHCb measurements. The results are compatible with the predictions of the Standard Model.

研究动机与目标

• 对非共振态B⁺→K⁺ℓ⁺ℓ⁻与B⁰→K*⁰ℓ⁺ℓ⁻衰变中的μ子-电子 universality 进行首次同步测量。
• 通过使用B→K*J/ψ(→ℓ⁺ℓ⁻)共振衰变作为校准通道，对电子和μ子末态进行校准，以减少与探测器相关的系统偏差。
• 通过在所有末态中采用相同的PID与多变量选择标准，提高轻子 universality 观测量的统计精度与可靠性。
• 首次在此背景下直接测量来自误识别底强子衰变的残余背景，从而增强系统不确定性的估计。
• 通过R(K)与R(K*)的偏离检测是否存在超出标准模型的新物理现象。

提出的方法

• 分析使用了2011至2018年期间LHCb探测器在√s = 7、8和13 TeV下收集的9 fb⁻¹质子-质子碰撞数据。
• 在四种末态中重建信号事例：B⁺→K⁺e⁺e⁻、B⁺→K⁺μ⁺μ⁻、B⁰→K*⁰e⁺e⁻与B⁰→K*⁰μ⁺μ⁻，其中K*⁰衰变为K⁺π⁻。
• 轻子 universality 比值R(K,K*)定义为双比值：R(K,K*) = [Nε(B→K*μ⁺μ⁻)/Nε(B→K*J/ψ→μ⁺μ⁻)] / [Nε(B→K*e⁺e⁻)/Nε(B→K*J/ψ→e⁺e⁻)]，其中Nε表示效率校正后的产额。
• 探测器效率通过B→K*J/ψ(→ℓ⁺ℓ⁻)共振衰变进行校准，首次证明该校准方法在K⁺与K*⁰末态之间可互换使用。
• 在所有末态中应用统一的选择策略，包括相同的PID要求与多变量分类器，以最大化效率抵消。
• 残余背景（来自误识别的底强子衰变）直接从数据中测量，从而改善系统不确定性的估计。

实验结果

研究问题

• RQ1 在非共振态B⁺→K⁺ℓ⁺ℓ⁻与B⁰→K*⁰ℓ⁺ℓ⁻衰变中，是否存在可测量的轻子 universality 破坏？
• RQ2 与以往单通道研究相比，对电子与μ子末态进行同步、一致的分析，是否能有效降低系统不确定性？
• RQ3 电子与μ子之间探测器响应差异对轻子 universality 测量造成的偏差程度如何？是否可通过共振衰变进行校正？
• RQ4 在低q²（0.1–1.1 GeV²/c⁴）与中q²（1.1–6.0 GeV²/c⁴）区间内，所测得的R(K)与R(K*)值与标准模型预测相比如何？
• RQ5 引入数据驱动的背景估计是否能提高轻子 universality 测量的可靠性？

主要发现

• 在低q²区间（0.1–1.1 GeV²/c⁴）测得的R(K)为0.926，总不确定度为0.021，与标准模型预测的约1.0一致。
• 在低q²区间测得的R(K*)为0.932，总不确定度为0.025，同样与标准模型一致。
• 在中q²区间（1.1–6.0 GeV²/c⁴）中，R(K)测得为0.937，总不确定度为0.024，再次与标准模型一致。
• 在中q²区间中，R(K*)值为0.934，总不确定度为0.025，未显示与标准模型有显著偏离。
• 由于优化了PID与多变量选择策略，该分析在单位亮度下的统计精度超过了以往的LHCb分析。
• 利用B→K*J/ψ(→ℓ⁺ℓ⁻)共振衰变作为校准通道，实现了K⁺与K*⁰末态之间稳健且可互换的校准，显著降低了系统偏差。