CC BY
4
УДК 539.126
РЕДКИЕ РАСПАДЫ В-МЕЗОНОВ В ЭКСПЕРИМЕНТЕ CMS
С. М. Поликарпов1'2
Изучение редких распадов тяжёлых адронов позволяет проводить чувствительные проверки предсказании Стандартной Модели.. В данной работе представлены новые измерения распадов B°s ^ и Б0 ^ в
эксперименте CMS, выполненные с использованием данных, набранных в столкновениях протонов с энергией 13 ТэВ, и соответствующие интегральной светимости 140 фбн-1.
Ключевые слова: эксперименты на ускорителях, физика тяжёлых кварков, физика ароматов, редкие распады, результаты БАК, CMS.
Введение. В экспериментах на Большом Адронном Коллайдере (БАК) ATLAS [1], CMS [2], и LHCb [3] активно ищут проявления физики вне Стандартной Модели (СМ), используя как прямые, так и непрямые подходы. Наиболее чувствительные непрямые поиски ведутся путём исследования редких и запрещённых распадов тяжёлых мезонов и барионов, где вклады от процессов Новой Физики (НФ) могут иметь значительную амплитуду, по сравнению с небольшой амплитудой этих распадов в СМ. Отдельным типом редких процессов являются переходы с нейтральным током, меняющим аромат (Flavor-changing neutral current, FCNC), которые проходят через фейнмановские диаграммы с электрослабыми петлями (т. н. пингвинные диаграммы). Частицы НФ, в том числе, тяжёлые, могут давать вклад в эти петли, что будет проявляться в отличающихся от предсказаний СМ характеристиках распадов.
В последние несколько лет был обнаружен ряд отклонений от предсказаний СМ в FCNC процессах с кварковым переходом b ^ sl+l-. В частности, многие эксперименты провели анализ угловых распределений распада Б0 ^ K*(892)0^+BaBar, CDF, LHCb, Belle, ATLAS, CMS. Наиболее точное измерение выполнено коллабораци-ей LHCb [4]. Помимо этого выполнены также измерения дифференциального бренчинга и углового анализа распада B° ^ [5, 6], где обнаружены отличия от предска-
заний СМ на уровне 3.6а. В распаде Б + ^ K[7] один из параметров также
1 ФИАН, 119991 Россия, Москва, Ленинский пр-т, 53; e-mail: sergey.polikarpov@cern.ch.
2 НИЯУ МИФИ, 115409 Россия, Москва, Каширское ш., 31.
отличается на ~ 3а от предсказаний. Стоит отметить, что во всех этих распадах важную роль играют теоретические неопределённости, связанные с описанием адронизации кварков в лёгкие мезоны.
В случае распадов B° ^ и B0 ^ таких погрешностей в теоретических
предсказаниях нет, так как частицы конечного состояния - два лептона. Однако эти распады очень подавлены: предсказанные значения бренчингов составляют около 3.7 х 10-9 (1 х 10-10) для B0(B0), что затрудняет точное экспериментальное измерение их вероятностей.
Первое обнаружение распада B0 ^ было представлено в 2014 г. в результате
комбинации данных коллабораций CMS и LHCb [8]. Летом 2020 г. была представлена комбинация обновлённых измерений коллабораций CMS, ATLAS и LHCb, где было обнаружено небольшое (2а) отклонение от предсказаний СМ. Недавно коллаборация LHCb представила результат, полученный с использованием данных первых двух запусков БАК [9].
В данной работе описан результат, полученный с использованием данных второго запуска БАК в эксперименте CMS [10, 11] в 2016-2018 г.г. Вероятность распада B° ^ измеряется с использованием нормировочного канала B+ ^ J/фК + по формуле
B(B0 ^ /+/-) = B(B + ^ J/фК+) х 2B0 ^^^f,
N (B + ^ J/фК+) f
где N и е означают количество восстановленных событий и полную эффективность реконструкции, соответственно, а fs/fu - отношение долей рождения B0 и B + мезонов в столкновениях протонов. Для B0 ^ используется похожая формула, но без
множителя fs/fu, т. к. считается, что доли рождения B + и B0 мезонов совпадают.
Отбор событий, источники фона. Эксперимент CMS (Компактный Мюонный Соленоид) [2] является одним из четырёх больших экспериментальных установок на БАК. Ключевыми элементами установки являются трековая система, электромагнитный и адронный калориметры, заключённые внутри сверхпроводящего магнита, и мюонные камеры, через которые проходит возвратное ярмо магнита. Система сбора данных включает в себя аппаратный триггер первого уровня, уменьшающий частоту событий с ~40 МГц до ~ 100 кГц с использованием информации из калориметра и мюонных камер, и программируемый триггер высокого уровня, на котором выполняется предварительная реконструкция события, после которого частота записываемых событий составляет ~1-1.5 кГц.
Кандидаты в сигнальные распады образуются путём реконструкции двух мюонов с рт > 4 ГэВ, |п| < 1.4 и их кинематического фита в общую вершину с качеством аппроксимации вершины Pvtx > 2.5%. Требуется, чтобы эта вершина была удалена от области столкновений протонов на расстояние d, превышающее 6 погрешностей d. Основные источники фона включают: (1) комбинации двух мюонов, рождённых в распадах двух различных долгоживущих частиц; (2) частично восстановленные полулептонные распады; (3) адронные распады B-мезонов, где адроны реконструированы, как мюоны. Для подавления (3) используется многопараметрический классификатор (MVA^), обученный отличать реальные мюоны от адронных треков и пионов или каонов, распавшихся по полулептонному каналу с участием мюона (K + ^ K + ^ п0п+ ^
с использованием информации из трекерной и мюонной систем эксперимента CMS. Производительность этого MVA^ калибруется на данных с использованием распадов K° ^ п+п- и ф ^ K+K-. После применения этого MVA^ вклад адронных распадов B-мезонов становится пренебрежимо малым. Для подавления фона от (1) и (2) разработан отдельный классификатор MVAb, в котором использованы переменные, описывающие характерную топологию исследуемого процесса рр ^ B0 • • • ^ /J+/J- • • • с димюонной вершиной, удалённой от области рр-столкновений, и импульсом димюона, сонаправлен-ным вектору отлёта (от вершины рр до вершины распада). В качестве нормировочного процесса используется распад B+ ^ J/фK +. Этот распад также использован для исследования разности между данными и моделированием, и коррекции моделирования.
Измерение характеристик сигналов. Для увеличения чувствительности анализа данные разбиты на 16 категорий на основе периода набора данных, значения MVAb и значения псевдобыстроты. Эти 16 диапазонов характеризуются разным разрешением по массе и разным уровнем фона. В каждом из них распределение инвариантной массы аппроксимируется аналитической функцией, включающей сигналы B° ^ и
B0 ^ комбинаторный фон, а также вклады полулептонных распадов B ^ h^v и
B ^ ^h и адронных распадов. Вклады двух последних источников (как формы, так и количества событий) определены с использованием моделирования. Сигналы описаны с учётом разрешения по массе ^- в каждом событии, которое откалибровано с использованием сигналов J/ф ^ и Y(1S) ^ Полученные распределения,
суммированные по периодам набора данных и диапазонам псевдобыстроты, представлены на рис. 1 вместе с проекцией результатов аппроксимации. Обнаруженная (ожидаемая) значимость сигнала B°s ^ /J+/J- составляет 12.5 (13.1) стандартных отклонений. Значимого сигнала B0 ^ /J+/J- не обнаружено.
Рис. 1: Полученные распределения по массе для МУЛв > 0.99 (слева) и 0.90 <
МУЛв < 0.99 (справа) [10,11].
Систематические погрешности. При измерении бренчинга распада В0 ^ учитывается ряд систематических погрешностей. Ведущими являются погрешности, связанные с коррекцией моделирования из-за различия данных и моделирования, обнаруженного в контрольном распаде В + ^ З/фК+; погрешность триггерной эффективности и эффективности восстановления дополнительного каона. Первые две из них получены с использованием большого количества сигнала в нормировочном распаде В+ ^ З /фК + , а погрешность реконструкции каона оценена с использованием распадов очарованных мезонов в 3- и 5-частичные каналы распада. Также учтены погрешности, связанные с формами сигналов и фона в сигнальном и нормировочном каналах, вероятностью нормировочного распада и погрешностью аппроксимации, которая оценена с помощью псевдоэкспериментов. Суммарная систематическая погрешность в измеряемой вероятности распада В0 ^ составляет около 5%.
Результаты. Полученные значения вероятности В(В0 ^ и В(В0 ^
составляют [10, 11]
В(В0 ^ Л-) = [3.83+0:38 (стат.)-0.19(сист.)-0.14 (Д//и)] х 10 В (В0 ^ = [0.37+0:77 (стат.)-0:08 (сист.)] х 10
10
где первые погрешности - статистические, вторые - систематические, а третья по-
грешность в B(B0 ^ связана с использованием внешнего измерения fs/fu =
0.231 ± 0.008. Отношение долей рождения B0 и B+ мезонов в столкновениях протонов fs/fu получено с использованием результатов работы коллаборации LHCb [12], где это отношение измерено в зависимости от поперечного импульса. Погрешность, связанную с этим отношением, можно будет уменьшить в будущем, если коллаборация CMS проведёт точное измерение fs/fu в своём кинематическом диапазоне.
Измерение B(B0 ^ является самым точным на данный момент и хорошо
согласуется с предсказанием СМ. Верхний предел на вероятность димюонного распада B0-мезона составляет 1.9 х 10-10 на уровне достоверности 95%. После того, как эксперимент ATLAS опубликует свой результат с использованием всех данных второго запуска БАК, планируется усреднить результаты всех трёх экспериментов: CMS, ATLAS и LHCb. Так как статистическая погрешность в описанном измерении - ведущая, обработка новых данных с третьего запуска БАК (2022-2024 г.г.) позволит улучшить точность измерения вероятности B° ^ и достичь чувствительности на уровне 3-4
стандартных отклонений для распада B0 ^
Работа была выполнена при поддержке программы "Приоритет 2030" НИЯУ МИФИ.
ЛИТЕРАТУРА
[1] The ATLAS Collaboration, JINST 3, S08003 (2008). DOI: 10.1088/1748-0221/3/08/
508003.
[2] The CMS Collaboration, JINST 3, S08004 (2008). DOI: 10.1088/1748-0221/3/08/
508004.
[3] The LHCb Collaboration, JINST 3, S08005 (2008). DOI: 10.1088/1748-0221/3/08/
508005.
[4] The LHCb Collaboration, Phys. Rev. Lett. 125, 011802 (2020). DOI: 10.1103/ PhysRevLett.125.011802.
[5] The LHCb Collaboration, Phys. Rev. Lett. 127, 151801 (2021). DOI: 10.1103/ PhysRevLett.127.151801.
[6] The LHCb Collaboration, JHEP 11, 043 (2021). DOI: 10.1007/JHEP11(2021)043.
[7] The LHCb Collaboration, Phys. Rev. Lett. 126, 161802 (2021). DOI: 10.1103/ PhysRevLett.126.161802.
[8] CMS and LHCb Collaborations, Nature 522, 68 (2015). DOI: 10.1038/nature14474.
[9] The LHCb Collaboration, Phys. Rev. D 105, 012010 (2022). DOI: 10.1103/ PhysRevD.105.012010.
[10] The CMS Collaboration, Preliminary result CMS-PAS-BPH-21-006.
[11] The CMS Collaboration, arXiv:2212.10311, submitted to Physics Letters B.
[12] The LHCb Collaboration, Phys. Rev. D. 104, 032005 (2021). DOI: 10.1103/ PhysRevD.104.032005.
Поступила в редакцию 13 декабря 2022 г.
После доработки 3 февраля 2023 г. Принята к публикации 6 февраля 2023 г.
Публикуется по рекомендации оргкомитета Московской международной школы физики 2022 (http://mosphys.ru)
