Observation of Ξb0→Ξ0J/ψ and evidence for Ξb0→Ξ0ψ(2S) decays
이 논문은 2016–2018년 LHCb 데이터를 사용하여 Ξb0→Ξ0J/ψ 붕괴의 첫 관측과 Ξb0→Ξ0ψ(2S)에 대한 증거를 보고하며, 이는 LHC 실험에서 Ξ0 하이퍼론의 첫 완전 재구성을 기록하고 이들의 분기비 비율에 대한 측정을 제공한다.
원저자: 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, C. A. Aidala, S. Akar, K. Akiba, H. Al Saleh, P. Albicocco, J. Albrecht, R. Aleksiejunas, F. Alessio, P. Alvarez Cartelle, S. Amato, J. L. Amey, Y. Amhis, Z. Amos, L. An, L. Anderlini, P. Andreola, M. Andreotti, S. Andres Estrada, A. Anelli, D. Ao, 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, M. Bachmayer, J. J. Back, M. Bai, Z. B. Bai, V. Balagura, A. Balboni, W. Baldini, Z. Baldwin, L. Balzani, H. Bao, J. Baptista de Souza Leite, C. Barbero Pretel, M. Barbetti, 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, T. Blake, 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, J. T. Borsuk, E. Bottalico, S. A. Bouchiba, 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, J. Buytaert, 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. Cardinale, A. Cardini, P. Carniti, L. Carus, R. Caspary, G. Casse, M. Cattaneo, G. Cavallero, V. Cavallini, S. Celani, I. Celestino, S. Cesare, A. J. Chadwick, M. Charles, Ph. Charpentier, E. Chatzianagnostou, R. Cheaib, M. Chefdeville, C. Chen, J. Chen, S. Chen, Z. Chen, A. Chen Hu, M. Cherif, S. Chernyshenko, X. Chiotopoulos, G. Chizhik, V. Chobanova, A. Christakakis, M. Chrzaszcz, Y. Chu, V. Chulikov, P. Ciambrone, X. Cid Vidal, P. Cifra, P. E. L. Clarke, M. Clemencic, H. V. Cliff, J. Closier, C. Cocha Toapaxi, V. Coco, A. Codovini, C. Codovini, J. Cogan, E. Cogneras, L. Cojocariu, S. Collaviti, P. Collins, T. Colombo, M. Colonna, A. Comerma-Montells, L. Congedo, J. Connaughton, A. Contu, N. Cooke, A. Corallo, G. Cordova, C. Coronel, I. Corredoira, A. Correia, G. Corti, G. C. Costantino, C. Cotirlan, J. Cottee Meldrum, B. Couturier, D. C. Craik, N. Crepet, M. Cruz Torres, M. Cubero Campos, E. Curras Rivera, R. Currie, C. L. Da Silva, X. Dai, J. Dalseno, C. 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. Delaney, B. Demaire-Lepape, J. Deng, O. Deschamps, F. Dettori, B. Dey, 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, 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, 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, J. Fu, Y. Fu, Q. Führing, T. Fulghesu, G. Galati, M. D. Galati, 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, J. García Pardiñas, P. Gardner, L. Garrido, C. Gaspar, A. Gavrikov, J. George, E. Gersabeck, M. Gersabeck, T. Gershon, S. Ghizzo, Z. Ghorbanimoghaddam, F. I. Giasemis, V. Gibson, H. K. Giemza, A. L. Gilman, M. Giovannetti, A. Gioventù, L. Girardey, M. A. 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Hutchcroft, M. Idzik, P. Ilten, A. Iohner, S. 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, K. Kalecinska, 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, 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. Kopciewicz, P. Koppenburg, A. Korchin, 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, J. Kvapil, I. Kyryllin, D. Lacarrere, P. Laguarta Gonzalez, A. Lai, A. Lampis, D. Lancierini, C. Landesa Gomez, G. Lanfranchi, C. Langenbruch, T. Latham, F. Lazzari, C. Lazzeroni, R. Le Gac, H. Lee, R. Lefèvre, M. Lehuraux, E. Lemos Cid, O. Leroy, T. Lesiak, E. D. Lesser, B. Leverington, A. Li, C. Li, C. Li, H. Li, J. Li, K. Li, L. Li, L. Li, P. Li, P. -R. Li, Q. Li, T. Li, T. Li, W. Li, Y. Li, Y. Li, Y. Li, Z. Li, Z. Lian, Q. Liang, X. Liang, Z. Liang, S. Libralon, A. Lightbody, J. Lin, S. Lin, T. Lin, R. Lindner, H. Linton, V. Lisovskyi, R. Litvinov, D. Liu, F. L. Liu, G. Liu, K. Liu, S. Liu, W. Liu, X. Liu, Y. Liu, Y. Liu, Y. L. Liu, G. Loachamin Ordonez, I. Lobo, A. Lobo Salvia, A. Loi, T. Long, F. C. L. Lopes, J. H. Lopes, A. Lopez Huertas, C. Lopez Iribarnegaray, Q. Lu, C. Lucarelli, D. Lucchesi, M. Lucio Martinez, Y. Luo, A. Lupato, M. Lupberger, E. Luppi, K. Lynch, J. Lyu, S. Lyu, X. -R. Lyu, H. Ma, S. Maccolini, F. Machefert, F. Maciuc, B. Mack, I. Mackay, L. M. Mackey, L. R. Madhan Mohan, M. J. Madurai, D. Magdalinski, J. J. Malczewski, S. Malde, L. Malentacca, G. Manca, C. Mancuso, R. Manera Escalero, A. Mangalasseri, F. M. Manganella, R. Mangrulkar, 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, G. Martellotti, 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, A. Mauri, E. Maurice, J. Mauricio, P. Mayencourt, J. Mazorra de Cos, M. Mazurek, D. Mazzanti Tarancon, M. McCann, N. T. McHugh, A. McNab, R. McNulty, B. Meadows, 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, F. Muñoz-Rojas, V. Mytrochenko, P. Naik, T. Nakada, R. Nandakumar, 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, C. Normand, A. Novo Cal, J. Novoa Fernandez, G. Nowak, H. N. Nur, A. Oblakowska-Mucha, T. Oeser, O. Okhrimenko, R. Oldeman, F. Oliva, E. Olivart Pino, M. Olocco, R. H. O'Neil, J. S. Ordonez Soto, D. Osthues, J. M. Otalora Goicochea, P. Owen, 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. Pappenheimer, C. Parkes, D. Parmar, G. Passaleva, D. Passaro, A. Pastore, M. Patel, J. Patoc, C. Patrignani, A. Paul, C. J. Pawley, A. Pellegrino, J. Peng, X. Peng, M. Pepe Altarelli, S. Perazzini, H. Pereira Da Costa, M. Pereira Martinez, A. Pereiro Castro, C. Perez, A. Perez Casas, P. Perret, A. Perrevoort, A. Perro, M. J. Peters, A. Petkovic, K. Petridis, A. Petrolini, S. Pezzulo, J. P. Pfaller, H. Pham, L. Pica, E. Picatoste Olloqui, M. Piccini, L. Piccolo, B. Pietrzyk, R. N. Pilato, D. Pinci, F. Pisani, M. Pizzichemi, V. M. Placinta, M. Plo Casasus, T. Poeschl, F. Polci, M. Poli Lener, A. Poluektov, I. Polyakov, E. Polycarpo, S. Ponce, D. Popov, K. Popp, K. Prasanth, C. Prouve, D. Provenzano, V. Pugatch, A. Puicercus Gomez, G. Punzi, J. R. Pybus, Q. Qian, W. Qian, N. Qin, R. Quagliani, R. I. Rabadan Trejo, B. Rachwal, R. Racz, J. H. Rademacker, M. Rama, M. Ramírez García, V. Ramos De Oliveira, M. Ramos Pernas, G. Ramsey, M. S. Rangel, G. Raven, M. 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Schopper, N. Schulte, H. Schumacher, M. H. Schune, G. Schwering, B. Sciascia, A. Sciuccati, G. Scriven, I. Segal, S. Sellam, M. Senghi Soares, A. Sergi, N. Serra, L. Sestini, B. Sevilla Sanjuan, Y. Shang, D. M. Shangase, R. S. Sharma, L. Shchutska, T. Shears, S. Shelton, J. Shen, Z. Shen, S. Sheng, B. Shi, J. Shi, Q. Shi, W. S. Shi, E. Shmanin, R. Silva Coutinho, G. Simi, S. Simone, M. Singha, I. Siral, N. Skidmore, T. Skwarnicki, M. W. Slater, E. 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, E. Spedicato, J. G. Speer, P. Spradlin, F. Stagni, M. Stahl, S. Stahl, S. Stanislaus, M. Stefaniak, O. Steinkamp, F. Suljik, J. Sun, L. Sun, M. Sun, D. Sundfeld, P. Svihra, V. Svintozelskyi, J. Swallow, K. Swientek, F. Swystun, A. Szabelski, T. Szumlak, Y. Tan, Y. Tang, Y. T. Tang, M. D. Tat, 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, 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. Wang, X. W. Wang, Y. Wang, Y. Wang, Y. Wang, Y. H. Wang, Z. Wang, Z. Wang, J. A. Ward, 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. Yuan, Y Yuan, 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, T. Zies, D. Zuliani, X. Zuo
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우주는 작은 일련의 근본적인 구성 요소들로 이루어져 있지만, 이 조각들이 우리가 보는 물질을 형성하기 위해 어떻게 결합하는지는 복잡한 퍼즐과 같습니다. 가장 포착하기 어려운 조각 중 하나는 '뷰티(beauty)' 쿼크를 포함하는 무거운 입자인데, 이는 지구상에는 자연적으로 존재하지 않으며 고에너지 충돌을 통해 생성되어야 하는 유형의 물질입니다. 이 입자들은 불안정하여 거의 즉각적으로 더 가볍고 안정적인 형태로 붕괴하거나 부서집니다. 과학자들은 이 무거운 입자들이 어떻게 변형되는지를 연구함으로써, 표준 물리학의 규칙이 극한의 조건에서도 유효한지, 아니면 발견되지 않은 새로운 힘을 암시하는지를 테스트할 수 있습니다. 과학자들은 '스트레인지(strange)' 쿼크라고 불리는 특정 유형의 쿼크를 포함하는 세 개의 쿼크로 이루어진 무거운 입자들이 어떻게 행동하는지를 수십 년 동안 관찰해 왔지만, '스트레인지' 쿼크와 '바텀(bottom)' 쿼크를 모두 포함하는 버전은 탐지기에 거의 보이지 않는 상태로 남아 있었으며, 이는 무거운 바리온이 어떻게 행동하는지에 대한 이해의 공백을 남겼습니다.
LHCb(Large Hadron Collider beauty experiment) 실험을 사용하는 연구팀이 마침내 이 공백을 채웠습니다. 2016년에서 2018년 사이에 수집된 양성자-양성자 충돌 데이터를 분석함으로써, 연구팀은 Ξb0 바리온이 Ξ0 하이퍼론과 J/ψ 메존으로 붕괴하는 것을 처음으로 명확하게 관측했다고 보고했습니다. 이는 Ξ0 하이퍼론이 거대 강입자 충돌기 실험에서 처음으로 완전히 재구성되었다는 점에서 중요한 이정표가 됩니다. Ξ0는 람다 바리온과 중성 파이온으로 붕괴하는 중성 입자인데, 이 과정은 중성 파이온이 탐지기에 직접적인 궤적을 남기지 않는 두 개의 광자로 분해되기 때문에 추적하기가 매우 까다로운 과정입니다. 연구진은 입자의 전체 붕괴 사슬을 성공적으로 엮어냈으며, 사실상 입자가 탄생하자마자 즉시 사라지는 그 경로를 추적해 냈습니다.
이 연구는 또한 무거운 Ξb0 바리온이 Ξ0 하이퍼론과 J/ψ의 더 무거운 사촌 격인 ψ(2S)로 변형되는 두 번째의 유사한 붕괴에 대한 강력한 증거를 제공했습니다. 첫 번째 붕괴는 압도적인 통계적 확실성을 가지고 관측되었으나, 두 번째 붕괴는 확정적인 발견이라고 단정하기에는 아직 이르지만 그것이 실제임을 시사하는 수준의 신뢰도로 관측되었습니다. 연구진은 무거운 입자가 더 가벼운 J/ψ 경로 대신 더 무거운 ψ(2S) 경로를 얼마나 자주 선택하는지를 측정했습니다. 그들은 무거운 경로가 가벼운 경로만큼 약 59% 빈도로 발생한다는 것을 발견했으며, 이 비율은 다른 실험에서 측정된 유사한 무거운 입자들의 수치와 잘 일치합니다. 이러한 일관성은 이러한 붕괴를 지배하는 규칙이 서로 다른 유형의 무거운 바리온 전반에 걸쳐 균일하다는 것을 시사합니다.
이 발견으로 가는 길은 기술적인 난관들로 가득했습니다. Ξ0 하이퍼론은 붕괴하기 전까지 측정 가능한 거리를 이동할 만큼 충분히 오래 생존하지만, 그 딸 입자인 중성 파이온은 궤적을 남기지 않기 때문에 붕괴가 정확히 어디에서 일어났는지 특정하기 어렵습니다. 이를 해결하기 위해 연구팀은 해당 입자가 주요 충돌 지점에서 기원했다고 가정하고 그 특성을 알려진 물리적 값에 맞추어 재구성하는 정교한 수학적 기법을 사용했습니다. 이 방법은 측정의 정밀도를 2배로 향상시켜, 희귀한 신호 사건들을 다른 입자 충돌에서 발생하는 압도적인 배경 소음으로부터 분리할 수 있게 해주었습니다. 또한 연구팀은 표적 붕괴처럼 보이지만 실제로는 그렇지 않은 입자들의 무작위 조합에 의해 발생하는 가짜 신호들을 걸러내야 했습니다.
이러한 붕괴의 성공적인 관측은 LHCb 탐지기가 여러 중성 입자를 포함하는 복잡한 바리온 붕괴를 재구성할 수 있음을 입증하며, 이는 이전에는 매우 어려운 일로 여겨졌던 성과입니다. 이 성과는 Ξb0 바리온의 훨씬 더 희귀한 붕계, 즉 현재의 표준 모델을 넘어서는 새로운 물리학을 드러낼 수도 있는 붕괴를 연구할 수 있는 문을 열어주었습니다. 이러한 엘루시브(elusive, 포착하기 어려운)한 입자들을 높은 정밀도로 추적하고 측정할 수 있음을 증명함으로써, 연구진은 물질의 근본 구조를 탐구하기 위한 새로운 도구를 제공했습니다. 물리학계에 전달된 서신에 발표된 이 결과는 무거운 바리온의 행동이 기존 이론이 예측하는 패턴을 따른다는 것을 확인하는 동시에, 실험 기술이 이제 아원자 세계에서 가장 도전적인 붕괴 사슬을 다룰 수 있을 만큼 발전했음을 입증합니다.
기술 요약: Ξb0→Ξ0J/ψ의 관측 및 Ξb0→Ξ0ψ(2S)에 대한 증거
문제 및 동기
약하게 붕괴하는 b 바리온은 메존 붕괴와 상보적인 관점을 제공하며 표준 모델을 검증할 수 있는 중요한 시험장을 제공한다. 단일 b 쿼크를 포함하는 네 가지 바닥 상태 b 바리온 중 Ξb0 (usb)는 가장 적게 연구된 상태로 남아 있다. 이 입자의 질량은 정밀하게 측정되었으나, 생성 단면적이 알려지지 않아 절대 분기비(absolute branching fraction) 측정을 저해하고 있다. 또한, Ξ0 하이퍼론은 궤적이 정의되지 않는 중성 π0 메존과 관련된 실험적 어려움으로 인해 LHC 실험에서 완전히 재구성된 적이 없다. 본 논문은 Ξb0→Ξ0J/ψ 및 Ξb0→Ξ0ψ(2S) 붕괴에 대한 첫 번째 탐색을 다루며, 이 모드들을 관측하고 미지의 Ξb0 생성 분율과 관련된 불확실성이 상쇄되는 양인 이들의 분기비 비율을 측정하는 것을 목표로 한다.
방법론
본 분석은 2016년에서 2018년 사이 중심 질량 에너지 s=13 TeV에서 수집된 LHCb 실험의 양성자-양성자 충돌 데이터를 활용하며, 이는 5.4 fb−1의 적분 휘도를 갖는다. 신호 과정은 다음의 붕괴 사슬을 통해 재구성된다:
- Ξb0→Ξ0ψ, 여기서 ψ는 J/ψ 또는 ψ(2S)이다.
- ψ→μ+μ−.
- Ξ0→Λπ0, Λ→pπ− 및 π0→γγ.
Ξ0 하이퍼론의 재구성은 π0의 운동량 벡터를 기원을 가정하지 않고는 그 붕괴 생성물로부터 직접 결정할 수 없기 때문에 실험적으로 까다롭다. 운동량 측정에서의 편향과 연한(soft) π0 메존으로부터 발생하는 큰 배경 잡음을 완화하기 위해, 운동학적 붕괴 사슬 피팅(kinematic decay chain fit)이 사용된다. 이 피팅은 Ξb0가 일차 정점(PV)에서 기원하도록 제약하며, ψ,Ξ0,Λ,π0의 질량을 알려진 값으로 고정한다. 이 접근 방식은 불변 질량 해상도를 2배 개선한다.
이벤트 선택은 높은 횡운동량(pT) 뮤온을 요구하는 하드웨어 트리거를 거친 후, PV로부터 떨어져 있고 ψ 질량과 일치하는 μ+μ− 쌍을 선택하는 소프트웨어 트리거를 사용한다. 오프라인 선택에서는 고다중도 환경과 π0 재구성의 어려움으로 인해 지배적인 조합 배경(combinatorial background)을 억제하기 위해, 시뮬레이션 신호와 데이터 사이드밴드로 학습된 부스트 결정 트리(BDT) 분류기를 활용한다. 잘못 재구성된 Ξb− 붕계나 무작위 π0 메존을 포함한 Λb0→Λψ로부터 발생하는 피킹 배경(peaking backgrounds)은 질량 베토(mass vetoes)와 운동학적 요구사항을 통해 억제된다.
수율은 재구성된 Ξ0ψ 불변 질량 분포(5400<m(Ξ0ψ)<6200 MeV/c2 범위)에 대한 확장된 비분포 최대 우도 적합(extended unbinned maximum-likelihood fit)을 사용하여 결정된다. 신호 성분은 두 개의 일방향 Crystal Ball 함수의 선형 결합으로 모델링되며, 배경은 지수 함수 및 양방향 Crystal Ball 함수를 사용하여 모델링된다. 분기비 비율 RΞb0는 두 붕괴 모드에 대해 동시에 계산된다.
주요 기여 및 결과
- 첫 번째 관측: 본 논문은 압도적인 통계적 유의성을 가진 Ξb0→Ξ0J/ψ 붕괴의 첫 번째 관측을 보고한다.
- 첫 번째 증거: 4σ를 초과하는 유의성을 가진 Ξb0→Ξ0ψ(2S) 붕계에 대한 증거가 제시된다.
- 전체 Ξ0 재구성: 본 연구는 Ξ0→Λπ0를 이용하여 Ξ0 하이퍼론이 LHC 실험에서 처음으로 완전히 재구성된 사례이다. 이 성과는 지금까지의 LHCb 측정에서 사용된 가장 연한(softest) 광자 및 π0 후보를 다루는 것을 필요로 했다.
- 분기비 비율: 분기비 비율은 다음과 같이 측정되었다:
B(Ξb0→Ξ0J/ψ)B(Ξb0→Ξ0ψ(2S))=0.59±0.19 (stat)±0.04 (syst)
계통 불확실성에는 시뮬레이션 샘플 크기, 피팅 모델, BDT 선택 및 외부 분기비의 기여가 포함된다.
의의
Ξb0→Ξ0J/ψ의 관측은 다수의 중성 입자를 포함하는 바리온 붕괴가 LHCb에서 높은 민감도로 재구성될 수 있음을 입증한다. 측정된 비율 RΞb0는 최근 CMS 실험에서 Ξb− 바리온에 대해 측정한 비율 및 LHCb와 ATLAS에서 Λb0 바리온에 대해 수행된 측정값과 일치한다. 저자들은 이 결과가 복잡한 최종 상태의 성공적인 재구성을 고려할 때, 희귀 붕괴인 Ξb0→Ξ0μ+μ−가 데이터 샘플이 증가함에 따라 LHCb의 탐색 범위 내에 있음을 시사한다고 언급한다. 본 논문은 이러한 비교를 용이하게 하기 위한 특정 붕괴 모드에 대한 첫 번째 실험적 데이터 포인트를 제공하지만, 이론적 모델(예: 공변 제한 쿼크 모델 대 섭동 QCD) 간의 불일치를 해결한다고 주장하지는 않는다.
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