[论文解读] Updated Search for $B_s o \mu^+$ mu- at CDF

T. Kuhr|arXiv (Cornell University)|Nov 1, 2011

Particle physics theoretical and experimental studies参考文献 2被引用 1

一句话总结

本文使用来自费米实验室 Tevatron 对撞机的 7 fb⁻¹ 数据，对稀有衰变 $B_s^0 \to \mu^+\mu^-$ 进行了更新搜索。通过采用优化的神经网络选择方法和改进的背景估计，分析在 $B_s^0 \to \mu^+\mu^-$ 信号区域发现了一个适度的过量，测得的分支比为 $1.8^{+1.1}_{-0.9} \times 10^{-8}$（90% 置信水平），与标准模型预测以及此前 LHC 的结果一致。

ABSTRACT

The decay Bs -> mu+mu- is very sensitive to contributions from new physics processes. Thus the Tevatron and LHC experiments are hunting for an observation of a Bs -> mu+mu- signal. In this article the updated search for Bs -> mu+mu- and B0 -> mu+mu- by the CDF experiment is presented. The CDF result was received with great interest because an excess over the background expectation is seen, although of modest statistical significance and still consistent with the prediction of a standard model signal and other experimental results.

研究动机与目标

• 寻找稀有 Flavor-Changing Neutral Current 衰变 $B_s^0 \to \mu^+\mu^-$，该过程对标准模型之外的新物理极为敏感。
• 通过将积分亮度从 2 fb⁻¹ 提高到 7 fb⁻¹ 并增强信号与背景的区分能力，提升对之前 CDF 结果的灵敏度。
• 检验观测数据与标准模型对 $B_s^0 \to \mu^+\mu^-$ 和 $B^0 \to \mu^+\mu^-$ 衰变的预测之间的一致性。
• 评估在 $B_s^0 \to \mu^+\mu^-$ 信号区域观测到的微小过量的显著性，并判断其是统计涨落还是潜在的新物理信号。

提出的方法

• 分析使用了 Tevatron p¯p 对撞机的 7 fb⁻¹ 数据样本，通过中央（CC）和前向（CF）μ子对触发双μ事件。
• 训练了一个包含 14 个输入变量的神经网络，基于模拟的信号和背景事件，以优化信号接受度并抑制组合背景和强子误识别背景。
• 背景估计结合了质量边带区域的线性外推法（用于组合背景）和基于 D⁰ → K⁻π⁺ 衰变实测误识别率的运动学模拟（用于强子背景）。
• 数据按双μ不变质量与神经网络输出分箱，以优化预期上限，每箱独立计算背景率与信号效率。
• 通过使用同号电荷、负衰变时间及放宽μ子识别标准的控制样本，验证系统误差。
• 通过 $B^+ \to J/\psi K^+$ 衰变进行信号归一化，效率修正来自模拟与数据驱动测量。

实验结果

研究问题

• RQ1 在 CDF 数据中是否存在 $B_s^0 \to \mu^+\mu^-$ 衰变的证据，考虑到其对新物理的高度敏感性？
• RQ2 在 $B_s^0 \to \mu^+\mu^-$ 信号区域观测到的过量有多显著？是否与标准模型预测一致？
• RQ3 测得的 $B_s^0 \to \mu^+\mu^-$ 分支比是多少？与以往实验和理论预期相比如何？
• RQ4 观测到的过量是否可能由系统误差（如误识别的强子或组合背景）引起，还是更可能是统计涨落？

主要发现

• 分析报告了 $B(B^0 \to \mu^+\mu^-)$ 在 95% 置信水平下的上限为 $< 6.0 \times 10^{-9}$，与标准模型预测一致。
• 在 $B_s^0 \to \mu^+\mu^-$ 信号区域，最高神经网络输出区间观察到一个适度过量，背景假设下的 p 值为 0.27%。
• 当包含标准模型贡献时，p 值上升至 1.9%，表明该过量更可能源于统计涨落而非新物理信号。
• 在 90% 置信水平下，测得的分支比为 $B(B_s^0 \to \mu^+\mu^-) = 1.8^{+1.1}_{-0.9} \times 10^{-8}$，与标准模型预测的 $3.2 \times 10^{-9}$ 一致。
• 该结果与 CMS 和 LHCb 的 90% 置信水平上限一致，强化了 Tevatron 与 LHC 结果的一致性。
• 通过控制样本验证了背景估计，确认无显著系统偏差影响信号区域。