Search for lepton-number-violating $B^-\to D^{(*)+}\mu^-\mu^-$ decays

LHCb実験は、5.4 fb$^{-1}$の積分光度に相当する13 TeV陽子 - 陽子衝突データを用いてレプトン数非保存過程$B^-\to D^{(*)+}\mu^-\mu^-$崩壊の探索を行い、有意な信号は観測されず、それぞれ$D^+$モードおよび$D^{*+}$モードに対して分岐比の95%信頼区間上限値を$4.6 \times 10^{-8}$および$5.9 \times 10^{-8}$として設定した。

要約

宇宙を、微小な粒子が光速に近い速度で飛び交う巨大な高速レーストラックだと想像してみてください。CERN の LHCb 実験に所属する物理学者たちは、このレースを見守る探偵のようであり、非常に特定された、ほぼ不可能な規則違反の事象を探しています。

以下に、彼らの最新の調査をわかりやすく解説します。

謎：禁止された入れ替え

素粒子物理学の世界には、「レプトン数保存則」という根本的な規則が存在します。この規則を、厳格な会計システムだと考えてみてください。通常の取引では、2 つの「マイナス」コイン（電子またはミューオン）を取り出す場合、帳簿を均衡させるために、2 つの「プラス」ニュートリノも放出されなければなりません。

しかし、いくつかの理論では、ニュートリノが自身の反粒子である可能性が示唆されています（両面が表のコインのようなものです）。これが真実であれば、帳簿の均衡の取り方は異なる可能性があります。「マイナス」コイン 2 つが、いかなる「プラス」ニュートリノも放出されずに生成されるのです。これをレプトン数破れと呼びます。

科学者たちは、特定の「禁止された取引」を探していました。それは、重い粒子であるB マイナス中間子が、より軽い粒子（D 中間子）と2 つのミューオン（重い電子のようなもの）に崩壊し、ニュートリノが一切見当たらないという現象です。

探偵仕事：幽霊の捕獲

この稀な事象を見つけるために、LHCb チームは 2016 年から 2018 年までの膨大なデータセット、すなわち 54 京（5.4 fb⁻¹）の衝突に相当するデータを用いました。

1. 準備：
彼らは、陽子衝突から飛び出す粒子を捉えるために、巨大なハイテクカメラ（検出器）を構築しました。そして、特定のシグナルを探しました。それは、B 中間子が突然 D 中間子と、同じ電荷を持つ 2 つのミューオンに分裂するというものです。

2. ノイズ：
問題は、このレーストラックが信じられないほど混雑していることです。ほとんどの場合、粒子は通常の方法で崩壊するか、検出器が混乱します。

• 「偽」ミューオン： 時々、パイオン（異なる種類の粒子）が非常に速く飛んで、実際のミューオンに崩壊するか、検出器がパイオンをミューオンと誤認することがあります。これにより、禁止された事象と全く同じように見える「偽」のシグナルが生まれます。
• 「組み合わせ」の雑音： 部屋いっぱいに人がボールを投げている様子を想像してください。純粋な偶然によって、2 つのランダムなボールが同時にバケツに落ちることがあります。これが「組み合わせ背景」です。ランダムなノイズがパターンのように見える現象です。

3. フィルタ：
本物のシグナルを見つけるために、チームは「スマートフィルタ」（ブースト決定木と呼ばれる機械学習ツール）を使用しました。

• 彼らは、数百万回のシミュレーション実行を研究することで、コンピュータに「偽」の事象がどのようなものかを学習させました。
• 粒子の「足跡」（衝突パラメータ）を確認し、それらがすべて正確に同じ場所から、正確に同じ時刻に発生したことを保証しました。
• 彼らは「正規化」事象（非常に一般的でよく理解されている崩壊）を定規として使用し、カメラの効率を測定しました。

結果：幽霊は見つからなかった

これらの極めて厳格なフィルタでデータをふるい分けした後、科学者たちは結果を検討しました。

• 判決： 彼らは、禁止された崩壊の明確な証拠をゼロ発見しました。彼らが観測した「シグナル」は単なるランダムなノイズであり、規則違反の事象が一度も起こらない場合に予想されるものと一致していました。
• 限界： 彼らはそれを見つけませんでしたが、この事象が起こりうる頻度について、非常に厳格な「速度制限」を設定しました。彼らの計算によれば、もしこの崩壊が起こるならば、ある種類については B マイナス中間子の崩壊 1 億回あたり4.6 回未満、もう一方の種類については5.9 回未満しか起こりません。

なぜこれが重要なのか（論文によると）

論文は、彼らが「幽霊」を見つけなかったにもかかわらず、これは科学にとって勝利であると述べています。

• より優れたツール： 彼らは以前の研究と比較して手法を大幅に改善しました。特に、パイオンがミューオンになりすますケースを特定する能力が向上しました。
• より厳格な規則： 彼らは現在、この特定の種類の崩壊に対して、史上最も厳格な制限を設定しました。
• 全体像： この事象に関する理論的予測はあまりにも稀であるため、この巨大な実験であってもそれらを見るにはおそらく小さすぎるでしょう。しかし、この研究は「探索空間」の地図作成に役立ちます。これは、将来の科学者たちに、どこを探すべきか、そしてついにこれらのマヨラナ・ニュートリノを一瞥するために、次の検出器がどれほど敏感である必要があるかを正確に伝えます。

要約： 探偵たちは規則を破る粒子の入れ替えを非常に熱心に探しましたが、何も発見せず、「もし起こっているとしても、私たちが考えていたよりも稀だ」と宣言しました。これは、宇宙の根本的な法則の地図を精緻化するのに役立ちます。

技術概要

技術的サマリー：レプトン数破壊 $B^- \to D^{(*)+} \mu^- \mu^-$ 崩壊の探索

問題と動機
ニュートリノの根本的な性質、すなわちそれらがディラック粒子かマヨラナ粒子かという問いは、素粒子物理学において未解決の課題のままです。ニュートリノのマヨラナ性を確立することは主要な目標の一つであり、通常はニュートリノレス二重ベータ崩壊（$0\nu\beta\beta$）の観測を通じて追求されます。$0\nu\beta\beta$ 実験が電子への結合を探索するのに対し、重クォークセクターにおける同様の探索はミューオンへの結合を探索することができます。本論文は、$B^- \to D^{(*)+} \mu^- \mu^-$ の形式を持つレプトン数破壊（LNV）崩壊の探索を提示します。このような過程は標準模型（SM）では禁止されており、マヨラナニュートリノの存在を示すことになります。本解析は、チャーム中間子と 2 つの同符号ミューオンが共通の頂点から生じる特定のトポロジーに焦点を当てており、これは理論文献 [11, 12] で議論されている、軽い（$m_N < m_\pi$）または重い（$m_N > m_B$）マヨラナニュートリノを含むシナリオに対応します。

手法
本解析は、LHCb 実験によって収集された、中心運動エネルギー 13 TeV の陽子 - 陽子衝突データを利用しており、これは 2016 年から 2018 年にかけての積分ルミノシティ 5.4 fb$^{-1}$ に相当します。探索は、チャームハドロン崩壊チャネル $D^+ \to K^-\pi^+\pi^+$ および $D^{*+} \to D^0(\to K^-\pi^+)\pi^+$ を介して信号崩壊を再構成します。

主要な手法の構成要素は以下の通りです：

• 事象選択： $D^{(*)+}$ と 2 つの同符号ミューオンが共通の頂点を持つことを要求して候補事象を選択します。運動量フィットにより、中間チャーム状態の不変質量を既知の値に制限します。パイオンがミューオンと誤識別される背景を抑制するため、厳格な衝突パラメータ要件（$\chi^2_{IP}$）および粒子識別（PID）基準を適用します。
• 背景抑制： 信号と組み合わせ背景を分離するために、ブースト決定木（BDT）分類器が採用されます。訓練には、シミュレートされた信号サンプルとデータ駆動型の背景サンプル（質量サイドバンド）が利用されます。
• 背景モデリング： 支配的な背景は、誤識別された崩壊、具体的には $B^- \to D^{(*)+} \pi^- \mu^- \nu_\mu$（単一誤識別）および $B^- \to D^{(*)+} \pi^- \pi^-$（二重誤識別）に起因します。本解析は、飛行中に崩壊するパイオンを考慮した、パイオンからミューオンへの誤識別に対する高度な補正を導入します。これには、誤識別率のデータ駆動型較正と、飛行中崩壊効果によって引き起こされる運動学的歪みを正確にモデル化するためのシミュレーションベースの運動量残差のブランキングが含まれます。
• 正規化： 分岐比は、同じ最終状態粒子構成を持つ正規化チャネル $B^- \to \psi(2S)(\to J/\psi(\to \mu^+\mu^-)\pi^+\pi^-)K^-$ に対して測定されます。
• 統計解析： $B^-$ 不変質量分布に対して拡張された非ビン最大尤度フィットが実行されます。信号収量は、シミュレーションおよび較正データに基づいて誤識別背景の収量を制限しながら抽出されます。上限は $CL_s$ 法を用いて設定されます。

主な貢献
この研究は、いくつかの分野において以前の LHCb 探索 [4] よりも大幅な改善を表しています：

1. データセットの規模： より大規模なデータセット（5.4 fb$^{-1}$、以前のより小規模なサンプルと比較）の活用。
2. 背景推定： ミューオンと誤識別されたパイオンに起因する背景の精緻な扱い。本論文は、飛行中に崩壊するパイオンの運動量劣化効果を明示的に取り扱っており、これは以前の研究で完全に考慮されていなかった要因です。これは、専用の較正サンプルとシミュレーションに適用される運動量ブランキング手順を通じて達成されます。
3. 選択の最適化： 組み合わせ背景を抑制するための BDT 分類器の実装と、軌道あたりのパイオン誤識別確率を 1% 未満に低減するためのより厳格な PID 要件。
4. 系統誤差の制御： 崩壊モデル依存性、PID 較正、トリガー効率の変動を含む、系統誤差の包括的な評価。

結果
$B^- \to D^+ \mu^- \mu^-$ および $B^- \to D^{*+} \mu^- \mu^-$ のいずれのチャネルにおいても、有意な信号は観測されませんでした。観測された信号収量は背景の揺らぎと一致しています（$D^+$ については $9.0 \pm 5.3$ 事象、$D^{*+}$ については $-1.7 \pm 2.1$ 事象）。

したがって、分岐比の上限は 95% 信頼区間（CL）で設定されます：

• $\mathcal{B}(B^- \to D^+ \mu^- \mu^-) < 4.6 \times 10^{-8}$
• $\mathcal{B}(B^- \to D^{*+} \mu^- \mu^-) < 5.9 \times 10^{-8}$

これらの上限は、以前の結果 [4] と比較して 1 桁以上改善されたものです。

意義
本論文は、達成された感度がマヨラナニュートリノに起因する崩壊の理論的予測（$O(10^{-23})$ から $O(10^{-22})$ のレベルと予測される）とはまだ程遠いものの、これらの特定の LNV 崩壊モードに対する現在最も厳しい制限を確立したと主張しています。本研究は、B メソン系においてモデル非依存なニュートリノレス崩壊の探索を実行する実験的能力を実証し、将来のより感度の高い測定のための精緻な戦略を提供します。背景モデリングと抑制の改善は、標準模型を超える物理の探索における後続の解析の基盤となります。