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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
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.

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.

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Last update: 15.04.2015

Responsible applicant and co-applicants

Name	Institute

Langenegger Urs

Paul Scherrer Institut

Kotlinski Danek

Paul Scherrer Institut

Horisberger Roland

Paul Scherrer Institut

Employees

Name	Institute

Wiederkehr Stephan Albert

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.