Evidence for the decay B0→μ+μ− and improved measurements of the decay Bs0→μ+μ−
本論文は、18 fb−1のLHCb Run 3データを用い、稀な崩壊であるB0→μ+μ−に関する単一実験による初の証拠を報告するとともに、Bs0→μ+μ−の分岐比および有効寿命に関する世界で最も精密な測定を達成したが、これらはいずれも標準模型の予測と一致している。
原著者: LHCb collaboration, R. Aaij, M. Abdelfatah, A. S. W. Abdelmotteleb, C. Abellan Beteta, F. Abudinén, T. Ackernley, A. A. Adefisoye, B. Adeva, M. Adinolfi, P. Adlarson, C. Agapopoulou, L. Ahrens, C. A. Aidala, S. Akar, K. Akiba, H. Al Saleh, P. Albicocco, J. Albrecht, R. Aleksiejunas, F. Alessio, P. Alvarez Cartelle, A. A. Alves Jr, S. Amato, Y. Amhis, Z. Amos, L. An, L. Anderlini, P. Andreola, M. Andreotti, S. Andres Estrada, A. Anelli, C. Arata, F. Archilli, Z. Areg, M. Argenton, S. Arguedas Cuendis, L. Arnone, M. Artuso, E. Aslanides, R. Ataíde Da Silva, M. Atzeni, B. Audurier, J. A. Authier, D. Bacher, I. Bachiller Perea, S. Bachmann, J. J. Back, M. Bai, Z. B. Bai, V. Balagura, A. Balboni, W. Baldini, L. Balzani, H. Bao, J. Baptista de Souza Leite, C. Barbero Pretel, I. R. Barbosa, W. Barker, R. J. Barlow, M. Barnyakov, S. Baron, S. Barsuk, W. Barter, J. Bartz, S. Bashir, B. Batsukh, P. B. Battista, A. Bavarchee, A. Bay, A. Beck, M. Becker, F. Bedeschi, I. B. Bediaga, N. A. Behling, S. Belin, A. Bellavista, I. Belyaev, G. Bencivenni, E. Ben-Haim, J. L. M. Berkey, R. Bernet, A. Bertolin, L. Bertsch, F. Betti, J. Bex, O. Bezshyyko, S. Bhattacharya, M. S. Bieker, N. V. Biesuz, A. Biolchini, M. Birch, F. C. R. Bishop, A. Bitadze, A. Bizzeti, F. Blanc, J. E. Blank, S. Blusk, J. A. Boelhauve, O. Boente Garcia, T. Boettcher, A. Bohare, C. Bolognani, R. B. Bonacci, A. Bordelius, F. Borgato, S. Borghi, M. Borsato, E. Bottalico, M. Bovill, T. J. V. Bowcock, A. Boyer, C. Bozzi, J. D. Brandenburg, A. Brea Rodriguez, N. Breer, C. Breitfeld, J. Brodzicka, J. Brown, E. Buchanan, M. Burgos Marcos, C. Burr, E. Butera, C. Buti, J. S. Butter, W. Byczynski, S. Cadeddu, H. Cai, Y. Cai, Y. Cai, A. Caillet, R. Calabrese, L. Calefice, M. Calvi, M. Calvo Gomez, P. Camargo Magalhaes, J. I. Cambon Bouzas, P. Campana, A. Campomagnani, A. C. Campos, A. F. Campoverde Quezada, Y. Cao, S. Capelli, M. Caporale, L. Capriotti, R. Caravaca-Mora, A. Carbone, L. Carcedo Salgado, R. 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D'Ambrosio, G. Darze, A. Davidson, O. De Aguiar Francisco, C. De Angelis, F. De Benedetti, J. de Boer, K. De Bruyn, S. De Capua, M. De Cian, U. De Freitas Carneiro Da Graca, F. De Gregorio, E. De Lucia, J. M. De Miranda, L. De Paula, A. De Robertis, E. De Santis, M. De Serio, P. De Simone, F. De Vellis, J. A. de Vries, F. Debernardis, D. Decamp, S. Dekkers, L. Del Buono, B. Demaire-Lepape, J. Deng, O. Deschamps, F. Dettori, B. Dey, A. Di Canto, P. Di Nezza, S. Ding, Y. Ding, L. Dittmann, J. F. Diverchy, A. D. Docheva, A. Doheny, C. Dong, F. Dordei, J. Dorta Moreno, A. C. dos Reis, J. Dos Santos Oliveira, A. D. Dowling, L. Dreyfus, W. Duan, N. Duc, P. Duda, L. Dufour, V. Duk, P. Durante, M. M. Duras, J. M. Durham, K. Duwe, A. Dziurda, S. Easo, E. Eckstein, U. Egede, S. Eisenhardt, E. Ejopu, L. Eklund, M. Elashri, D. Elizondo Blanco, J. Ellbracht, S. Ely, A. Ene, T. Evans, F. Fabiano, S. Faghih, L. N. Falcao, B. Fang, R. Fantechi, L. Fantini, M. Faria, K. Farmer, F. Fassin, D. Fazzini, F. Feldbauer, L. Felkowski, C. Feng, M. Feng, A. Fernandez Casani, M. Fernandez Gomez, B. Fernandez Rodino, J. Fernandez-John, A. D. Fernez, F. Ferrari, F. Ferreira Rodrigues, R. A. Fini, R. Fiorenza, M. Fiorini, M. Firlej, D. S. Fitzgerald, C. Fitzpatrick, T. Fiutowski, F. Fleuret, A. Fomin, M. Fontana, M. Fontes Vaz, L. A. Foreman, R. Forty, D. Foulds-Holt, V. Franco Lima, M. Franco Sevilla, M. Frank, E. Franzoso, G. Frau, C. Frei, D. A. Friday, M. Fritsch, J. Fu, Y. Fu, Q. Führing, T. Fulghesu, M. Fulghieri, A. Gallas Torreira, D. Galli, S. Gambetta, M. Gandelman, P. Gandini, B. Ganie, H. Gao, R. Gao, T. Q. Gao, Y. Gao, Y. Gao, Y. Gao, L. M. Garcia Martin, P. Garcia Moreno, B. Gardinovacki, P. Gardner, L. Garrido, C. Gaspar, J. George, E. Gersabeck, M. Gersabeck, T. Gershon, S. Ghizzo, Z. Ghorbanimoghaddam, V. Gibson, H. K. Giemza, A. L. Gilman, M. Giovannetti, A. Gioventù, L. Girardey, M. A. Giza, F. C. Glaser, V. V. Gligorov, C. Göbel, L. Golinka-Bezshyyko, E. 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Jacevicius, H. Jage, S. J. Jaimes Elles, S. Jakobsen, T. Jakoubek, E. Jans, A. Jawahery, C. Jayaweera, A. Jelavic, V. Jevtic, Z. Jia, E. Jiang, X. Jiang, Y. Jiang, Y. J. Jiang, E. Jimenez Moya, N. Jindal, M. John, A. John Rubesh Rajan, D. Johnson, C. R. Jones, S. Joshi, B. Jost, J. Juan Castella, N. Jurik, I. Juszczak, D. Kaminaris, S. Kandybei, M. Kane, Y. Kang, C. Kar, A. Kauniskangas, J. W. Kautz, M. K. Kazanecki, F. Keizer, M. Kenzie, T. Ketel, B. Khanji, S. Kholodenko, V. Kholoimov, G. Khreich, Y. Khyzhniak, F. Kiraz, T. Kirn, V. S. Kirsebom, N. Kleijne, A. Kleimenova, D. Klekots, K. Klimaszewski, M. R. Kmiec, T. Knospe, R. Kolb, S. Koliiev, L. Kolk, A. Konoplyannikov, P. Kooij, P. Kopciewicz, P. Koppenburg, A. Korchin, D. Kosianov, I. Kostiuk, O. Kot, S. Kotriakhova, E. Kowalczyk, O. Kravcov, M. Kreps, W. Krupa, W. Krzemien, O. Kshyvanskyi, S. Kubis, M. Kucharczyk, A. Kupsc, A. Kurzina, V. Kushnir, B. Kutsenko, I. Kyryllin, D. Lacarrere, P. Laguarta Gonzalez, A. Lai, A. 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Magdalinski, B. Maisano, J. J. Malczewski, S. Malde, L. Malentacca, G. Manca, A. Mangalasseri, F. Manganella, R. Mangrulkar, A. Manoj Nair, D. Manuzzi, S. Mao, D. Marangotto, J. F. Marchand, R. Marchevski, U. Marconi, L. Mareso, E. Mariani, S. Mariani, C. Marin Benito, J. Marks, A. M. Marshall, L. Martel, G. Martelli, L. Martinazzoli, M. Martinelli, C. Martinez, A. Martinez Armas, D. Martinez Gomez, D. Martinez Santos, F. Martinez Vidal, A. Martorell i Granollers, A. Massafferri, R. Matev, A. Mathad, C. Matteuzzi, K. R. Mattioli, L. Matzner, E. Maurice, J. Mauricio, P. Mayencourt, J. Mazorra de Cos, M. Mazurek, D. Mazzanti Tarancon, M. McCann, N. T. McHugh, A. McNab, R. McNulty, S. E. R. Medaer, D. Melnychuk, D. Mendoza Granada, P. Menendez Valdes Perez, F. M. Meng, M. Merk, A. Merli, L. Meyer Garcia, D. Miao, H. Miao, S. Mico, M. Mikhasenko, D. A. Milanes, A. Minotti, E. Minucci, B. Mitreska, D. S. Mitzel, R. Mocanu, A. Modak, L. Moeser, R. D. Moise, E. F. Molina Cardenas, T. Mombächer, M. Monk, T. Monnard, S. Monteil, A. Morcillo Gomez, G. Morello, M. J. Morello, M. P. Morgenthaler, A. Moro, J. Moron, W. Morren, A. B. Morris, A. G. Morris, R. Mountain, Z. Mu, N. Muangkod, E. Muhammad, F. Muheim, M. Mulder, K. Müller, M. Myers, V. Mytrochenko, P. Naik, T. Nakada, G. Napoletano, I. Nasteva, M. Needham, N. Neri, S. Neubert, N. Neufeld, J. Nicolini, D. Nicotra, E. M. Niel, L. Nisi, Q. Niu, B. K. Njoki, P. Nogarolli, P. Nogga, J. Nombela Royo, E. Noomen, C. Normand, A. Novo Cal, J. Novoa Fernandez, G. Nowak, H. N. Nur, A. Oblakowska-Mucha, T. Oeser, T. Ogasa, O. Okhrimenko, R. Oldeman, N. Oldman, F. Oliva, E. Olivart Pino, M. Olocco, M. Omana Kuttan, R. H. O'Neil, J. S. Ordonez Soto, D. Osthues, J. M. Otalora Goicochea, A. Oyanguren, O. Ozcelik, F. Paciolla, A. Padee, K. O. Padeken, B. Pagare, T. Pajero, A. Palano, L. Palini, L. Palombini, M. Palutan, C. Pan, X. Pan, S. Panebianco, S. Paniskaki, L. Paolucci, A. Papanestis, M. Pappagallo, L. L. Pappalardo, C. 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Schumacher, M. H. Schune, G. Schwering, B. Sciascia, A. Sciuccati, G. Scriven, I. Segal, A. Seljak, S. Sellam, M. Senghi Soares, A. Sergi, N. Serra, L. Sestini, B. Sevilla Sanjuan, D. M. Shangase, R. S. Sharma, L. Shchutska, T. Shears, S. Shelton, J. Shen, Z. Shen, S. Sheng, B. Shi, J. Shi, Q. Shi, T. Shi, W. S. Shi, E. Shmanin, O. Sidletskiy, R. Silva Coutinho, C. Silva Lyra, G. Simi, S. Simone, M. Singha, I. Siral, N. Skidmore, T. Skwarnicki, M. W. Slater, E. Smith, M. Smith, M. Smith, L. Soares Lavra, M. D. Sokoloff, F. J. P. Soler, A. Solomin, K. Solovieva, N. S. Sommerfeld, R. Song, Y. Song, Y. Song, Y. S. Song, F. L. Souza De Almeida, G. Souza De Castro, B. Souza De Paula, K. M. Sowa, E. Spadaro Norella, J. G. Speer, P. Spradlin, F. Stagni, M. Stahl, S. Stahl, S. Stanislaus, O. Steinkamp, F. Suljik, J. Sun, L. Sun, M. Sun, P. Svihra, V. Svintozelskyi, J. Swallow, K. Swientek, F. Swystun, A. Szabelski, T. Szumlak, Y. Tan, Y. Tang, Y. T. Tang, Y. T. Tang, M. Tariq, M. D. Tat, K. L. Taylor, J. A. Teijeiro Jimenez, F. Terzuoli, F. Teubert, E. Thomas, D. J. D. Thompson, A. R. Thomson-Strong, R. Thornton, H. Tilquin, V. Tisserand, S. T'Jampens, M. Tobin, T. T. Todorov, L. Tomassetti, G. Tonani, X. Tong, T. Tork, L. Torlai, L. Toscano, D. Y. Tou, S. Trofymenko, T. Troska, I. Truten, G. Tuci, N. Tuning, L. H. Uecker, A. Ukleja, A. Upadhyay, B. Urbach, A. Usachov, U. Uwer, V. Vagnoni, A. Vaitkevicius, A. Valassi, V. Valcarce Cadenas, G. Valenti, N. Valls Canudas, J. van Eldik, H. Van Hecke, E. van Herwijnen, C. B. Van Hulse, R. Van Laak, M. van Veghel, P. Varrella, R. Vazquez Gomez, P. Vazquez Regueiro, C. Vázquez Sierra, S. Vecchi, J. Velilla Serna, J. J. Velthuis, M. Veltri, A. Venkateswaran, M. Verdoglia, M. Vesterinen, W. Vetens, D. Vico Benet, P. Vidrier Villalba, M. Vieites Diaz, X. Vilasis-Cardona, E. Vilella Figueras, A. Villa, P. Vincent, B. Vivacqua, F. C. Volle, D. vom Bruch, K. Vos, C. Vrahas, J. Wagner, J. Walsh, N. Walter, E. J. Walton, G. Wan, A. Wang, B. Wang, C. Wang, C. Wang, C. Wang, G. Wang, H. Wang, J. Wang, J. Wang, J. Wang, J. Wang, M. Wang, N. W. Wang, X. Wang, X. Wang, X. W. Wang, Y. Wang, Y. Wang, Y. Wang, Y. H. Wang, Z. Wang, Z. Wang, M. Waterlaat, N. K. Watson, D. Websdale, Y. Wei, Z. Weida, J. Wendel, B. D. C. Westhenry, A. S. White, C. White, M. Whitehead, E. Whiter, A. R. Wiederhold, D. Wiedner, M. A. Wiegertjes, C. Wild, G. Wilkinson, M. K. Wilkinson, M. Williams, M. J. Williams, M. R. J. Williams, R. Williams, S. Williams, Z. Williams, F. F. Wilson, M. Winn, W. Wislicki, M. Witek, L. Witola, T. Wolf, E. Wood, G. Wormser, S. A. Wotton, H. Wu, J. Wu, T. Wu, X. Wu, Y. Wu, Z. Wu, K. Wyllie, S. Xian, Z. Xiang, Y. Xie, T. X. Xing, A. Xu, L. Xu, M. Xu, R. Xu, Z. Xu, Z. Xu, Z. Xu, Z. Xu, S. Yadav, K. Yang, X. Yang, Y. Yang, Y. Yang, Z. Yang, Z. Yang, H. Yeung, H. Yin, X. Yin, C. Y. Yu, J. Yu, K. Yu, X. Yu, X. Yuan, Y Yuan, E. Zaffaroni, S. Zalambani, J. A. Zamora Saa, F. Zangari, M. Zavertyaev, M. Zdybal, F. Zenesini, C. Zeng, M. Zeng, S. H Zeng, C. Zhang, C. Zhang, D. Zhang, J. Zhang, L. Zhang, Q. Z. Zhang, R. Zhang, S. Zhang, S. L. Zhang, Y. Zhang, Z. Zhang, J. Zhao, M. Zhao, Y. Zhao, A. Zhelezov, S. Z. Zheng, X. Z. Zheng, Y. Zheng, T. Zhou, X. Zhou, V. Zhovkovska, L. Z. Zhu, X. Zhu, X. Zhu, Y. Zhu, V. Zhukov, J. Zhuo Gao, T. Zies, D. Zuliani, X. Zuo
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宇宙は、私たちが測定し記述できる力を通じて相互作用する、少数の基本粒子から構成されています。何十年もの間、物理学者は標準模型と呼ばれる枠組みを用いて、これらの粒子がどのように振る舞うかを説明してきました。この理論は、あらゆる検証に対して驚くべき精度で合格してきました。しかし、このモデルには不完全な部分があるように感じられます。なぜ宇宙が物質と反物質で満たされているのかを説明できず、また、銀河を繋ぎ止めている目に見えない物質であるダークマターの候補も提示できていません。欠けているピースを見つけるために、科学者たちは必ずしも、より強力に粒子を衝突させるために、より大きな機械を構築する必要があるわけではありません。時には、最も稀で繊細な事象を、より近くで観察する必要があるのです。特定の重い粒子が、より軽い粒子へと崩壊(分解)する様子を観察することで、研究者は、現在の検出の限界のすぐ先に潜む未知の力や新粒子を示唆する、極めて微小な偏差を捉えることができるのです。
そのような稀な事象の一つに、重いビューティ・クォークを含むB中間子と呼ばれる粒子があります。標準模型において、特定のタイプの中間子は、電子の重い従兄弟であるミューオンのペアへと時折変身します。この変形は達成するのが非常に困難であるため、10億回の崩壊につき数回しか起こりません。このプロセスは非常に抑制されているため、未知の新粒子のわずかな寄与であっても、その発生率や、B中間子が消滅するまでの寿命を変化させる可能性があります。これらの崩壊を測定することは、鳴り響くスタジアムの中で一筋のささやき声を聞き取るようなものです。もしそのささやきが予想とは異なる響きを持っていれば、それは群衆の中で新しい声が話していることを示唆します。
CERNのLHCb検出器で研究を行っているチームは、今、かつてないほどの明晰さでこの「ささやき」を聞き取りました。大型ハドロン衝突型加速器(LH)の最新のランから収集されたデータを用いて、彼らは、中性B中間子として知られる特定のタイプのB0が、確かに2つのミューオンへと崩壊することを、初めて強力な証拠をもって確認しました。この崩壊は標準模型によって予測されてはいましたが、単一の実験によって明確に観測されたことはこれまでありませんでした。チームはまた、別のB中間子であるBsを用いた、より一般的でわずかに頻度の高い類似の崩壊に関する測定を精緻化し、それが既成の理論の予測と完全に一致する割合と寿命で起こることを明らかにしました。数十億回の陽子衝突の分析から得られたこれらの結果は、現在の粒子物理学のモデルが、たとえ科学者が現在の境界の向こう側にあるより深い現実を明らかにするための「ひび割れ」を追い求め続けているとしても、依然として堅牢であることを示唆しています。
この研究は、粒子が光速に近い速度で移動する様子を追跡するように設計された巨大な装置である、アップグレードされたLHCb検出器を用いて行われました。検出器は加速器のビームの経路に沿って設置されており、13.6兆電子ボルトのエネルギーで発生する衝突の破片を捉えます。2024年から2025年の間に、この機械は、積分ルミノシティ(記録された衝突の総数を示す尺度)として18フェムトバーンに相当する膨大な量のデータを届けました。アップグレードされた検出器は、以前のモデルよりもはるかに感度が高く、多くの衝突が同時に発生する非常に多忙な環境でも動作することができます。この改良により、チームは加速器のノイズの中から、探していた崩壊の特定のシグネチャを抽出することが可能になりました。
稀な崩壊を見つけ出すために、研究者たちは信号を背景事象の海から区別しなければなりませんでした。ほとんどの衝突は粒子の混沌としたスプレーを生み出し、時には、粒子のランダムな組み合わせがB中間子が2つのミューオンへと崩壊したかのような外見を模倣することがあります。チームは、ブーステッド決定木(boosted decision tree)として知られる洗練されたコンピュータアルゴリズムを使用し、真正な信号とランダムな背景との間の微妙な違いを学習させました。このツールは、粒子の経路や、衝突点からどれだけ離れたか、あるいはどのような角度であったかといった粒子の特性を分析し、各候補イベントにスコアを割り当てました。スコアの高いイベントのみを選択することで、チームは潜在的な崩壊のクリーンなサンプルを分離することに成功しました。
候補が選定されると、研究者たちは各イベントにおける2つのミューオンの質量を測定しました。もし2つのミューオンがB中間子の崩壊に由来するものであれば、それらの合計質量はある特定の値の周囲に集まり、データの中にピークを作ります。チームは、期待されるB0中間子の質量において明確なピークを発見し、この崩壊の存在を示しました。この発見の統計的有意性は3標準偏差に達しており、これは物理学者が「証拠(evidence)」と呼ぶレベルです。これは、発見のゴールドスタンダードである5標準偏差にはまだ達していませんが、信号が本物であり、データの偶然の産物ではないことを示す強力な指標となります。チームはまた、Bs中間子の崩壊率を測定し、それが以前の観測と一致しているものの、より高い精度で行われたことを明らかにしました。
研究者たちはまた、Bs中間子が崩壊するまでの寿命も測定しました。この実効寿命は、崩壊率単独とは異なる種類の情報を提供します。標準模型では、この崩壊はほぼ完全に、より長く生存する特定のバージョンの粒子から起こると予想されています。もし新しい物理学が関与していれば、粒子のバージョンの混合比が変化し、測定される寿命を変える可能性があります。チームは、Bs中間子の寿命が1.60ピコ秒であることを発見しましたが、これは標準模型の予測と完璧に一致しています。この一致は、この崩壊が現在の理論が記述する通りに進行しており、プロセスを妨害する新粒子が目に見える形で存在しないことを示唆しています。
結果の信頼性を確保するために、チームは最近のランからの新しいデータと、加速器の以前のランからの測定値を組み合わせました。2011年から2025年までのデータを包括したこの結合解析は、これらの崩壊率の最も精密な決定を提供しました。最終的な数値によれば、Bs中間子は10億回の試行につき約3.25回、B0中間子は100億回の試行につき約1.14回、それぞれミューオンへと崩壊します。これらの数値は、標準模型が予測するものと驚くほど近いものです。これら2つのレートの比率は、粒子の特性や作用する力に依存しますが、これも理論的期待値と一致しています。
これらの知見は、新しい物理学の探索において重要な意味を持ちます。標準模型を拡張しようとする多くの理論は、これらの稀な崩壊が観測されたよりも頻繁に起こるか、あるいは異なる寿命を持つことを予測しています。測定結果が標準模型と密接に一致しているという事実は、これらの代替理論に対して厳しい制約を課すことになります。これは、もし新粒子が存在するとしても、それらがこれらの崩壊に影響を与えるには重すぎるか、あるいは標準模型の繊細なバランスを乱さないような方法で相互作用していることを示唆しています。B0崩壊の発見は実験的スキルの勝利ではありますが、理論からの逸脱が見られないということは、新しい物理学の探索が他の方向へ継続されなければならないことを意味しています。
この測定の成功は、アップグレードされたLHCb検出器の威力を際立たせています。膨大な量のデータを収集し、背景ノイズから稀な信号を高精度で識別できる能力は、この施設が次の探索段階への準備ができていることを証明しています。チームの研究は、将来の調査のための強固なベースラインを提供し、将来的にこれらの崩壊で見つかるであろういかなる偏差も、統計的なゆらぎではなく、真に新しい物理学の兆候であることを保証します。今のところ、宇宙は標準模型が述べる通りに正確に振る舞い続けています。この場合、データの「沈黙」は、叫び声よりも雄弁であり、たとえ物理学者がより深い理解へと至るための「ひび割れ」を探している最中であっても、既知の自然法則が揺るぎないものであることを伝えているのです。
技術要約:B0→μ+μ− の証拠および Bs0→μ+μ− の測定精度の向上
問題と動機
標準模型(SM)は成功を収めているものの、ダークマターの候補を欠いており、宇宙の物質・反物質の非対称性を説明することもできない。標準模型の拡張モデルは、直接生成するには重すぎる新粒子を予測することが多いが、それらは稀なフレーバー変化中性流(FCNC)過程における量子力学的な干渉を通じて検出される可能性がある。崩壊過程 Bs0→μ+μ− および B0→μ+μ− は、特に新物理(NP)に対する敏感なプローブとなる。これらの過程は、ループレベルの性質とヘリシティ抑制により標準模型において高度に抑制されており、予測される分岐比は約 3.66×10−9 および 1.03×10−10 である。Bs0→μ+μ− は観測されている一方で、B0→μ+μ− の崩壊は依然として未発見であり、従来の単一実験による限界値は、初期の結合解析の結果を裏付けるに至らなかった。さらに、Bs0→μ+μ− の有効寿命を測定することは、分岐比を変化させることなく、軽質量固有状態と重質量固有状態の相対的な混合比を変える可能性のある新物理の寄与に対して、相補的な感度を提供する。
手法
本解析では、LHCb実験において、重心エネルギー s=13.6 TeV、積分ルミノシティ 18 fb−1 で収集された、Run 3 (2024–2025) の陽子・陽子衝突データを利用している。データは、完全ソフトウェアベースのトリガーシステム、アップグレードされたトラッキングおよび粒子識別(PID)システムを備え、以前のランよりも5倍高い瞬時ルミノシティでの運用を実現したLHCb Upgrade I検出器を用いて記録された。
解析戦略は以下の通りである:
- イベント選択: 候補粒子は2段階のソフトウェアトリガーを用いて再構成される。オフライン選択には、組合せ背景事象(主に半レプトン的 bbˉ 崩壊によるもの)を抑制しつつ高い信号効率を維持するように訓練された、ブーステッド決定木(BDT)分類器を用いる。BDTは、アイソレーション変数、インパクトパラメータの有意性、および頂点適合の質を利用する。
- 信号抽出: Bs0→μ+μ− および B0→μ+μ− の信号収量は、ディミューオン不変質量 (mμ+μ−) の範囲 [4900,5900] MeV/c2 における拡張アンビン最大尤度フィットを通じて決定される。フィットは、感度を最適化するために、BDT応答の5つのビンに対して同時に行われる。
- 正規化と効率: 分岐比は、正規化モードである B0→K+π− および B+→J/ψK+(J/ψ→μ+μ− を伴う)に対する相対的に算出される。効率比は、運動学的ミスマッチおよびPID性能を補正するために、シミュレーションとデータ駆動型の較正サンプルを組み合わせて導出される。
- 寿命測定: 有効寿命 (τμμ) は、背景事象を除去した候補粒子(BDT >0.5 で選択)の崩壊時間分布から抽出される。受容関数は、3次スプラインを用いてパラメータ化され、B0→K+π− データとシミュレーションの比を用いて較正される。
- 背景事象モデリング: 背景事象には、誤識別されたハドロン崩壊 (B(s)(0)→h+h′−)、半レプトン的崩壊、および組合せ背景事象が含まれる。誤識別確率は、Λc+→pK−π+ データを用いて制約される。
主な貢献と結果
本論文は、稀な崩壊である B0→μ+μ− に関する初の単一実験による証拠、および Bs0→μ+μ− の分岐比と有効寿命に関する現在最も精密な測定結果を報告している。
分岐比 (Run 3 のみ):
- B(Bs0→μ+μ−)=(3.31−0.30+0.31 (stat)−0.13+0.15 (syst))×10−9
- B(B0→μ+μ−)=(1.26−0.47+0.51 (stat)−0.05+0.06 (syst))×10−10
- B0→μ+μ− の信号は、3.0σ の有意度で観測された(系統誤差を含む)。
分岐比の比:
- Rμμ≡B(B0→μ+μ−)/B(Bs0→μ+μ−)=0.038−0.014+0.016 (stat)±0.002 (syst).
有効寿命:
- τμμ=1.42±0.18 (stat)±0.02 (syst) ps.
- これは AΔΓsμμ=−1.14±1.78 (stat)±0.15 (syst)±0.06 (external) に相当する。
結合結果 (Run 1 + Run 2 + Run 3):
- B(Bs0→μ+μ−)=(3.25−0.25+0.26 (stat)−0.12+0.13 (syst))×10−9
- B(B0→μ+μ−)=(1.14−0.39+0.42 (stat)−0.05+0.06 (syst))×10−10
- B0→μ+μ− の結合有意度は 3.2σ である。
- 結合有効寿命: τμμ=1.60±0.16 (stat)±0.01 (syst) ps.
意義と主張
著者らは、これらの結果がLHCb Upgrade I検出器を用いて行われた B(s)(0) メソンによる2つのミューオンへの崩壊に関する初の解析であり、高ルミノシティにおける精密フレーバー物理学の能力を示すものであると述べている。測定結果は標準模型の予測と一致している。3σ レベルでの B0→μ+μ− の観測は、Bs0→μ+μ− の性質の精密な決定と相まって、LHCの直接到達範囲を超えるエネルギー領域における新物理の寄与を制約する。本論文は、すべての結果が標準模型の予測と一致していることを強調しており、これにより、追加のヒッグス粒子、Z′ ベクトル粒子、またはレプトクォークを含むモデルのパラメータ空間を制限している。
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