[论文解读] Test of lepton universality in beauty-quark decays

LHCb Collaboration, Diego Torres Machado+956 more|arXiv (Cornell University)|Mar 22, 2021

Particle physics theoretical and experimental studies参考文献 150被引用 114

一句话总结

该论文在 B+ → K+ l+l− 衰变中测量 RK 比例以测试轻子普适性，发现 RK = 0.846^{+0.044}_{-0.041} 在 1.1–6.0 GeV^2/c^4 q^2 范围内，表明存在轻子普适性违反的证据，达到 3.1σ。

ABSTRACT

The Standard Model of particle physics currently provides our best description of fundamental particles and their interactions. The theory predicts that the different charged leptons, the electron, muon and tau, have identical electroweak interaction strengths. Previous measurements have shown a wide range of particle decays are consistent with this principle of lepton universality. This article presents evidence for the breaking of lepton universality in beauty-quark decays, with a significance of 3.1 standard deviations, based on proton-proton collision data collected with the LHCb detector at CERN's Large Hadron Collider. The measurements are of processes in which a beauty meson transforms into a strange meson with the emission of either an electron and a positron, or a muon and an antimuon. If confirmed by future measurements, this violation of lepton universality would imply physics beyond the Standard Model, such as a new fundamental interaction between quarks and leptons.

研究动机与目标

• 在 b → s l+ l− 转变中测试轻子普适性。
• 测量 B+ → K+ l+ l− 中 μ 与 e 的分支比率之比。
• 通过使用 B+ → J/ψ(K+) 衰变作为归一化，采用双比率技术控制并抵消系统误差。
• 提供与相关共振通道（如 ψ(2S)）的交叉检验，以验证效率校正。

提出的方法

• 使用来自 LHCb 的 9 fb−1 的质子的质子碰撞数据，在 7、8、13 TeV 收集。
• 将 R_K 定义为在 1.1 < q^2 < 6.0 GeV^2/c^4 的微分分支比的双比值（方程 2）。
• 使用 q^2 和质量拟合将非共振的 B+ → K+ μ+ μ− 与共振的 B+ → J/ψ(→ μ+ μ−) K+ 衰变分离。
• 通过模拟事件纠正重建效率并用控制通道进行标定，以达到百分比级精度。
• 用对 m(K+ ℓ+ ℓ−) 与 m(J/ψ(K+ ℓ+ ℓ−)) 的无区间扩展最大似然拟合提取产额，包含共振模态的高斯约束。
• 用 r_{J/ψ} 比率 (μ/μ) 交叉验证效率普遍性，并用 ψ(2S) 通道（R_{ψ(2S)}）进行验证。

Figure 1: Contributions to ${{B}^{+}}\!\rightarrow{{K}^{+}}\ell^{+}\ell^{-}$ decays in the SM and possible new physics models. A ${{B}^{+}}$ meson, consisting of $\overline{b}$ and $u$ quarks, decays into a ${K}^{+}$ , containing $\overline{s}$ and $u$ quarks, and two charged leptons, ${\ell^{+}}{\e

实验结果

研究问题

• RQ1 在积分 1.1 < q^2 < 6.0 GeV^2/c^4 时，B+ → K+ μ+ μ− 衰变发生的速率是否与 B+ → K+ e+ e− 相同？
• RQ2 在 b → s l+ l− 转变中，超出标准模型预测的单位值之外，是否有轻子无差异违反的证据？
• RQ3 该测量对效率与背景建模的系统性不确定性有多稳健？
• RQ4 共振控制通道（如 J/ψ、ψ(2S)）是否支持非共振 RK 的结果？
• RQ5 测得的 RK 与先前实验及标准模型预期相比如何？

主要发现

• 在 1.1 < q^2 < 6.0 GeV^2/c^4 的 RK 为 0.846^{+0.044}_{-0.041}（统计+系统误差）。
• 结合统计与系统不确定性得到 RK = 0.846^{+0.044}_{-0.041}。
• 在 3.1 标准差下有轻子无差异违反的证据（p 值 0.10%）。
• r_{J/ψ} 比率测得为 0.981 ± 0.020，与单位值在不确定性范围内一致。
• 使用 R_{ψ(2S)} 的独立验证给出 0.997 ± 0.011，支持分析方法。
• 该测量以更高精度超越了先前的 RK 结果，并在数据子集之间显示出一致性。

Figure 2: Candidate invariant mass distributions. Distribution of the invariant mass $m_{({{J\mskip-3.0mu/\mskip-2.0mu\psi\mskip 2.0mu}})}{({{K}^{+}}\ell^{+}\ell^{-})}$ for candidates with (left) electron and (right) muon pairs in the final state for the (top) nonresonant ${{B}^{+}}\!\rightarrow{{K}