B介子味改变中性流和带电流过程的研究

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寻找超出粒子物理标准模型的新物理是当前高能物理研究的主要目标之一。精确测量底强子弱衰变的性质提供了间接探索新物理的一个重要途径。LHCb实验在多个b→sl+l-味改变中性流过程的衰变率、角度分布和轻子味普适性等方面发现了与标准模型预言一定程度的差别,同时B介子工厂在b→cl-(?)l味改变带电流过程的轻子普适性检验中也曾观察到偏离标准模型预言的迹象。这些与轻子有关的异常结果可能预示着新的物理学原理,推动我们开展了以下相关研究:在实验方面,我们研究味改变中性流过程,探讨了利用LHCb探测器升级后即将获取的海量数据测量Bs0→φμ+μ-衰变中的含时CP破坏的方法和灵敏度,还基于LHCb现有数据寻找了B0→φμ+μ-过程;在理论方面,我们聚焦味改变带电流过程,采用模型无关和模型相关方法研究了(?)→D(*)l-(?)l过程中的新物理效应。Bs0→φμ+μ-衰变是对新物理研究有重要意义的(?)→(?)μ+μ-跃迁过程。除了衰变率与角度分布,该过程还能提供含时CP破坏作为新物理探针。以往对Bs0→φμ+μ-衰变的实验研究发现其分支比与标准模型预言相比偏低,角度分析结果与标准模型预言符合,但尚未对含时CP破坏开展测量。升级后的LHCb实验在未来十(二十)年内将积累约50(300)fb-1质子质子对撞数据,为精确测量Bs0→φμ+μ-衰变的含时CP破坏提供了可能。为了充分发挥Bs0→φμ+μ-过程对探索新物理的作用,我们首次对Bs0→φμ+μ-过程的含时CP破坏测量进行了蒙特卡罗模拟研究和灵敏度分析。首先在普遍情况下得到了时间依赖的角度分布公式,定义了 CP破坏观测量,并且探讨了简化时间依赖的角度分布公式的可能性。针对积分亮度为9 fb-1、50 fb-1和300 fb-1的情况,产生模拟样本分别研究了普遍和简化公式下的CP破坏参数灵敏度。结果表明,基于300fb-1数据可以在稀有衰变Bs0→φμ+μ-中取得精度好于10%的含时CP破坏测量结果,与现阶段在CP破坏研究的“黄金衰变道”Bs0→J/ψ(→μ+μ-)φ中取得的精度相当。这些结果能为LHCb实验制定未来的稀有衰变CP破坏研究规划提供重要信息。B0→φμ+μ-衰变是一个极其稀有、对新物理敏感的(?)→(?)跃迁过程。在标准模型中,其主要贡献来自ω-φ介子混合,分支比估计在10-11-10-10量级。目前实验上没有对B0→φμ+μ-衰变的测量结果。我们利用LHCb实验在7TeV、8TeV和13TeV质心系能量下采集的9fb-1质子质子对撞数据,首次寻找了稀有衰变B0→φμ+μ-。在数据分析时,去除了q2=m2(μ+μ-)谱中的φ、J/ψ和ψ(2S)三个共振态区域,采用Bs0→φμ+μ-衰变作为归一化道,重建出近2000个Bs0→φμ+μ-信号,但没有发现显著的B0→φμ+μ-信号,在90%信度水平下设置了B0→φμ+μ-衰变和Bs0→φμ+μ-衰变的相对分支比上限4.4 × 10-3。假设B0→φμ+μ-过程的末态粒子遵从相空间分布,利用LHCb实验对Bs0→φμ+μ-衰变分支比的最新测量结果,在90%信度水平下得到了完整q2范围内的B0→φμ+μ-衰变分支比的上限为3.2 × 10-9。(?)→D(*)l-(?)(l=τ,μ,e)衰变属于b→cl-(?)跃迁过程。带电希格斯和轻子型夸克等新物理模型可能给这类味改变带电流树图过程带来一定的影响。多个味物理实验测量了(?)→D(*)τ-(?)与(?)→D(*)l-(?)(l=μ,e)过程的相对分支比R(D(*)),部分结果与标准模型预言存在一定的偏离,引起了理论研究的极大关注。我们分别通过模型无关的方法和具有轻子味普适性的G(221)模型分析了B→D(*)l-(?)(l=τ,μ,e)过程,探讨了新物理对(微分)分支比、相对分支比、轻子自旋不对称性和轻子前后不对称性等的影响。利用这些过程的分支比测量结果限制了相关的新物理参数后,我们发现新物理对轻子自旋不对称性和前后不对称性仍然可能带来显著的效应。我们期待LHCb实验和Belle II实验能够对这些观测量进行精确测量。
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