Experimental Particle Physics

HEP-Banner
 .

ATLAS: Physik der schweren B-Mesonen

    Zwei Feynman-Diagramme für den Zerfall Bs0 → μ+ μ-. Zusätzlich zu den Graphen mit Standardmodellteilchen (in schwarz) sind mögliche Graphen mit Teilchen aus Modellen jenseits des Standardmodells (in rot und grün) gezeigt.

Messungen im Bereich der schweren B-Mesonen bieten ein Fenster zu Neuer Physik jenseits des Standardmodells. Suchen nach seltenen und sehr seltenen Zerfällen oder nach im Standardmodell verbotenen Prozessen sowie Präzisionsmessungen der Cabibbo-Kobayashi-Maskawa-Mischungmatrix (CKM) sind besonders sensitiv. Beobachtete Abweichungen von den im Standardmodell erwarteten Werten würden indirekt auf die Existenz Neuer Physik hinweisen.

Invariante Dimyonmassenverteilung nach dem Öffnen des Massenfensters für das Signal in dem Intervall der Kontinuum-BDT-Variablen mit der höchsten Signalsensitivität. Überlagert ist das Ergebnis der Maximum-Likelihood-Anpassung. Die Gesamtanpassung ist als durchgezogene Linie dargestellt, die gestrichelten Linien entsprichen dem beobachtetem Signalanteil, dem B → μ+ μ- X Untergrund und dem kombinatorischem Untergrund. Die Signalkomponenten sind in einer Verteilung zusammengefasst, die beides, den Bs0 → μ+ μ-- und den (negativen) B0 → μ+ μ-- Anteil, enthält. Die Verteilung, die dem in der Signalregion befindlichen Bs0 → h h' Untergrund entspricht, liegt sehr nahe der horizontalen Achse. [4]

Die Siegener ATLAS-Gruppe arbeitet an einer Messung des seltenen Zerfalls Bs0 → μ+ μ-, der im Standardmodell aufgrund seines quarkflavorändernden neutralen Stroms (FCNC) und der Helizitätszustände der Myonen im Endzustand stark unterdrückt ist. Die Vorhersage für das Verzweigungsverhältnis im Standardmodell beträgt BF(Bs0 → μ+ μ-) = (3.65 ± 0.23) x 10-9 [Phys. Rev. Lett., 112, 101801 (2014)]. In einer kombinierten Messung beobachteten die LHCb- und CMS-Kollaborationen diesen Zerfall mit einem Verzweigungsverhältnis von BF(Bs0 → μ+ μ-) = (2.8 +0.7-0.6) x 10-9 [Nature, 522 (2015)]. Die Messung mit den ATLAS-Daten von 2011 und 2012, die einer integrierten Luminosität von 25 fb-1 entsprechen, ergab BF(Bs0 → μ+ μ-) = (0.9 +1.1-0.8) x 10-9 [3]. Bei dieser Messung wird der Zerfallskanal B± → J/ψ K± mit J/ψ → μ- μ- mit seinem bekannten Verzweigungsverhältnis als Referenzkanal eingesetzt. Im Jahr 2017 hat LHCb eine aktualisierte Messung von BF(Bs0 → μ+ μ-) = (3.0 ± 0.6 (stat.) +0.3-0.2 (syst.)) x 10-9 [Phys. Rev. Lett. 118 (2017) 191801] veröffentlicht, in der sie ihren Run 1-Datensatz um die Daten aus den Jahren 2015 und 2016 erweitert haben. Die neuste Messung von ATLAS, die Daten aus den Jahren 2015 und 2016 in Kombination mit den ATLAS Run 1-Daten verwendet, ergibt BF(Bs0 → μ+ μ-) = (2.8 +0.8-0.7) x 10-9 [4].

Likelihood-Konturen in der BF(Bs0 → μ+ μ-) - BF(B0 → μ+ μ-)-Ebene für die Kombination der Run 1- und 2015-2016 Run 2-Resultate (schattierte Flächen). Die Konturen repräsentieren die Kombination der Likelihood-Funktionen der zwei Datenanalysen in Intervallen von -2 Δ ln(L) gleich 2.3, 6.2 und 11.8 relativ zum absoluten Maximum der Likelihood. Die Konturen für die einzelnen Run 2 2015-2016- und Run 1- Resultate sind überlagert. Die Standardmodellvorhersagen mitsamt ihrer Unsicherheiten sind dargestellt. [4]

Desweiteren suchen wir nach dem noch selteneren Zerfall B0 → μ+ μ-, der noch stärker CKM-unterdrückt ist. Das im Standardmodell erwartete Verzweigungsverhältnis beträgt BF(B0 → μ+ μ-) = (1.06 ± 0.09) x 10-10 [Phys. Rev. Lett., 112, 101801 (2014)]. Mehrere Szenarien der Physik jenseits des Standardmodells (BSM) sagen signifikant größere Verzweigungsverhältnisse vorher, was die Untersuchung dieses Prozesses für die Suche nach Neuer Physik sehr interessant macht. Außerdem besteht in einigen BSM-Szenarien die Möglichkeit einer wesentlich stärkeren Unterdrückung dieses Zerfalls als vom Standardmodell erwartet. Die Messung mit den ATLAS-Daten aus den Jahren 2011 und 2012 ergab eine obere Schranke auf das Verzweigungsverhältnis von BF(B0 → μ+μ-) < 4.2 x 10-10 auf 95% Vertrauensniveau [3], während die CMS- und LHCb-Kollaborationen bei der Kombination ihrer Messungen Hinweise auf diesen Zerfall mit einem Verzweigungsverhältnis von BF(B0 → μ+μ-) = (3.9 +1.6-1.4) x 10-10 [Nature, 522 (2015)] beobachtet haben. Im Jahr 2017 hat die LHCb-Kollaboration unter Hinzufügen der in den Jahren 2015 und 2016 aufgezeichneten Daten eine obere Schranke auf das Verzweigungsverhältnis von BF(B0 → μ+μ-) < 3.4 x 10-10 auf 95% Vertrauensniveau [Phys. Rev. Lett. 118 (2017) 191801] gesetzt. Die neueste Messung mit ATLAS-Daten aus den Jahren 2015 und 2016, kombiniert mit den ATLAS-Run 1-Daten, ergibt eine obere Schranke auf das Verzweigungsverhältnis von BF(B0 → μ+μ-) < 2.1 x 10-10 auf 95% Vertrauensniveau [4]. Das ATLAS-Ergebnis, dargestellt in der BF(Bs0 → μ+ μ-) - BF(B0 → μ+μ-)-Ebene ist mit den Vorhersagen des Standardmodells auf dem 2.4 σ-Niveau kompatibel (siehe Abbildung).

Veröffentlichungen (mit Siegener Beiträgen):

  1. ATLAS Collaboration, Search for the decay Bs0 → μ+ μ-, Phys. Lett. B713 (2012) 180-196
  2. ATLAS Collaboration, Limit on Bs0 → μ+ μ- branching fraction based on 4.9 fb-1 of integrated luminosity, ATLAS-CONF-2013-076 (2013)
  3. ATLAS Collaboration, Study of the rare decays B0s and B0 into muon pairs from data collected during the LHC Run 1 with the ATLAS detector, Eur. Phys. J. C. 76 (2016) 513
  4. ATLAS Collaboration, Study of the rare decaysof B0s and B0 into muon pairs using data collected during 2015 and 2016 with the ATLAS detector, JHEP04 (2019) 098