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Measurement of Rare Leptonic B Decays with the CMS Experiment

English title Measurement of Rare Leptonic B Decays with the CMS Experiment
Applicant Langenegger Urs
Number 159702
Funding scheme Project funding (Div. I-III)
Research institution Paul Scherrer Institut
Institution of higher education Paul Scherrer Institute - PSI
Main discipline Particle Physics
Start/End 01.06.2015 - 30.11.2018
Approved amount 202'030.00
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Keywords (4)

LHC; Rare leptonic B decays; CMS experiment; Particle Physics

Lay Summary (German)

Lead
Das "Standardmodell" (SM) der Teilchenphysik ist eine präzise Theorie, die seit 40 Jahren alle Messungen im subatomaren Bereich korrekt hervorsagen resp. beschreiben konnte. Dies gilt insbesondere auch für die sehr seltenen leptonischen B(s) Meson Zerfälle. In diesen Prozessen zerfallen B(s) Mesonen in zwei Myonen, B(s) -> mu mu. Das B(s) Meson ist ein Hadron, welches aus einem beauty Quark und einem down (strange) Quark zusammengesetzt ist. Die Wahrscheinlichkeit für einen Bs -> mu mu Zerfall beträgt etwa 3e-9. Der Zerfall eines B Mesons in zwei Myonen ist etwa 30x seltener als der entsprechende Bs Meson Zerfall. Im Sommer 2013 haben das CMS und das LHCb Experiment erste Messungen des Zerfalls Bs -> mu mu vorgestellt, welche mit der SM Erwartung gut übereinstimmen.Weil die Resultate gut mit der SM Erwartung übereinstimmen, können Theorien zu "Neuer Physik" (die über das SM hinausgehen) eingeschränkt werden.
Lay summary

Das nächste Ziel des CMS Experimentes ist die verbesserte Messung von Bs -> mu mu, sowie die erste Messung des Zerfalls B -> mu mu. Letzteres ist eine extrem schwierige Messung, weil der irreduzible Untergrund in etwa dieselbe Stärke wie das Signal hat. Dieser Untergrund entsteht durch B(s) Zerfälle mit ähnlicher experimenteller Signatur, z.B. hadronische B(s) Zweikörperzerfälle nach zwei Pionen, B(s) -> pi pi. Die Pionen sind instabile Teilchen und können in Myonen zerfallen, was zu demselben Endzustand führt wie das gesuchte Signal B(s) -> mu mu.

In unserer Arbeit wird deshalb die Myonidentifikation eine erste Priorität darstellen, da damit der Untergrund stark reduziert werden kann. Um den verbleibenden Untergrund besser zu bestimmen, wird das Endresultat durch eine erweiterte Maximum-Likelihood Parameteranpassung bestimmt, in dem der Untergrund ohne Randbedingungen bestimmt werden soll. Das ist eine Weiterentwicklung des bisherigen Ansatzes, wo der Untergrund innerhalb der Unsicherheiten fixiert wurde. Ein weiterer wichtiger Aspekt wird die Bestimmung von Hilfsdatensätzen sein, mit welchen systematische Unsicherheiten reduziert und besser bestimmt werden können.

Unsere Arbeit wird das Thema von seltenen leptonischen B(s) Mesonen substanziell weiterentwickeln und eventuell sogar den ersten Hinweis auf den Zerfall B -> mu mu ermöglichen. Insbesondere in Verbindung mit der verbesserten Messung von Bs -> mu mu wird das sehr stringente
Einschränkungen auf Theorien zu "Neuer Physik" erlauben, die weit über das heute mögliche hinausgehen.

 

Direct link to Lay Summary Last update: 15.04.2015

Responsible applicant and co-applicants

Employees

Publications

Publication
Measurement of properties of $$ {\mathrm{B}}_{\mathrm{s}}^0 $$→ μ+μ− decays and search for B0→ μ+μ− with the CMS experiment
Sirunyan A. M., Tumasyan A., Adam W., Ambrogi F., Bergauer T., Brandstetter J., Dragicevic M., Erö J., Escalante Del Valle A., Flechl M., Frühwirth R., Jeitler M., Krammer N., Krätschmer I., Liko D., Madlener T., Mikulec I., Rad N., Schieck J., Schöfbeck R., Spanring M., Spitzbart D., Waltenberger W., Wulz C.-E., et al. (2020), Measurement of properties of $$ {\mathrm{B}}_{\mathrm{s}}^0 $$→ μ+μ− decays and search for B0→ μ+μ− with the CMS experiment, in Journal of High Energy Physics, 2020(4), 188-188.

Collaboration

Group / person Country
Types of collaboration
CMS collaboration Switzerland (Europe)
- in-depth/constructive exchanges on approaches, methods or results
- Publication
- Research Infrastructure
- Exchange of personnel

Associated projects

Number Title Start Funding scheme
125293 Maintenance and Operation for the LHC experiments at CERN 01.04.2009 FORCE / CERN
173602 FLARE 2017-2019: Operation, Computing and Upgrades of the CMS Experiment 01.04.2017 FLARE

Abstract

We propose to fund one Ph.D. student to measure rare leptonic B decays with the CMS experiment at the Large Hadron Collider. After our successful observation of the decay Bs -> mu mu with the CMS experiment in summer 2013, the next steps will consist in measuring the effective Bs -> mu mu lifetime and obtaining the first evidence for the decay B0 -> mu mu. Building on our successful observation of Bs -> mu mu, the project will focus on the following points: (1) development of an improved muon identification algorithm, (2) measurement of rare hadronic B decays to obtain their normalization and calibration of their mass distribution (peak and width), (3) substantial improvement of the unbinned maximum likelihood for the determination of the final results.
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