베일과 베일II에서 누락 에너지와 함께하는 전기약한 펭귄 및 류온플레이오버베이션 B 붕괴 측정

초록

베일·베일II가 축적한 1.2 ab⁻¹ 데이터셋을 이용해 $b\to s\nu\bar\nu$ 전기약한 펭귄 과정과 $B\to K^{*0}\tau^{+}\tau^{-}$, $B^{0}\to K_{S}^{0}\tau^{\pm}\ell^{\mp}$, $B^{0}\to K^{*0}\tau^{\pm}\ell^{\mp}$(ℓ=e, μ)와 같은 류온플레이오버베이션(LFV) 채널를 탐색하였다. 포함적·강입자 태깅을 결합한 모델‑불가지론적 재해석을 수행하고, Weak Effective Theory 프레임워크에서 벡터·스칼라·텐서 위크스톤 계수를 추정하였다. $B^{+}\to K^{+}\nu\bar\nu$는 3.3 σ 수준으로 관측됐으며, $B\to X_{s}\nu\bar\nu$와 $B^{0}\to K^{*0}\tau^{+}\tau^{-}$는 각각 $3.6\times10^{-4}$, $1.8\times10^{-3}$(90 % CL) 이하의 상한을 설정했다. LFV 검색에서는 $B^{0}\to K_{S}^{0}\tau\ell$에 대해 $

상세 분석

본 논문은 베일과 베일II가 축적한 $1.2~\mathrm{ab}^{-1}$ 규모의 $e^{+}e^{-}\to B\bar B$ 데이터셋을 활용해, 누락 에너지(주로 뉴트리노)와 함께 나타나는 희귀 $b\to s$ 전이 과정을 정밀하게 탐색한다. 두 실험은 $Υ(4S)$ 공명에서 거의 순수한 $B\bar B$ 쌍을 생산하므로, 초기 상태의 4-벡터가 정확히 알려져 있어 신호 $B$의 네틀리시티와 모멘텀을 $B_{\text{tag}}$ 를 통해 역산할 수 있다. 이를 기반으로 두 가지 태깅 전략을 도입했는데, (1) 포함적 태깅은 높은 효율을 제공하지만 배경 의존도가 크고, (2) 강입자(Full Event Interpretation, FEI) 태깅은 머신러닝 기반으로 전부 재구성해 배경을 크게 억제하지만 효율이 $<1%$ 수준이다.

첫 번째 분석은 $B^{+}\to K^{+}\nu\bar\nu$ 를 포함적·강입자 태깅을 복합적으로 사용해 재해석하였다. 기존 분석에서 얻은 2‑차원 히스토그램($\eta_{\text{BDT2}}$, $q^{2}{\text{rec}}$)을 모델‑불가지론적 밀도 $n{0}(x)$ 로 정의하고, 새로운 물리 모델의 예측 비율 $\sigma_{1}/\sigma_{0}$ 로 가중해 신호 분포를 재구성한다. Weak Effective Theory(WET) 프레임워크를 적용해 벡터($C_{V}^{L}+C_{V}^{R}$), 스칼라($C_{S}^{L}+C_{S}^{R}$), 텐서($C_{T}$) 위크스톤을 자유 파라미터로 두고 베이지안 추정을 수행했다. 결과는 벡터 계수가 SM보다 약 2배 크게, 텐서 계수가 비제로 값을 갖는 것이 데이터와 가장 잘 맞으며, $q^{2}$ 스펙트럼에 대한 3.3 σ 수준의 신호 유의성을 제공한다.

두 번째 분석은 베일II에서 강입자 태깅을 이용한 포괄적 $B\to X_{s}\nu\bar\nu$ 검색이다. $X_{s}$ 를 $K+n\pi$, $3K$, $3K\pi$ 등 다양한 최종 상태로 재구성하고, BDT 기반 배경 억제와 $M_{\text{bc}}$, BDT 출력 2차원 피팅을 수행했다. 세 개의 질량 영역(케이 강화, $K^{*0$ 강화, 비공명)에서 각각 상한을 구한 뒤, 전체 결합으로 $3.6\times10^{-4}$(90 % CL) 라는 현재 가장 강력한 제한을 얻었다.

세 번째 분석은 $B^{0}\to K^{*0}\tau^{+}\tau^{-}$ 를 탐색했다. $\tau$ 의 네 가지 디케이 모드($\ell\ell$, $\ell\pi$, $\pi\pi$, $\rho X$)를 모두 포함하고, BDT를 이용해 누락 에너지와 칼로리미터 에너지, $q^{2}$ 등을 활용해 배경을 억제했다. 피팅 결과는 유의미한 신호를 찾지 못했으며, $1.8\times10^{-3}$(90 % CL) 이하의 상한을 설정했다. 이는 기존 베일 결과보다 약 두 배 더 엄격한 제한이다.

마지막으로 LFV 채널 $B^{0}\to K_{S}^{0}\tau\ell$와 $B^{0}\to K^{*0}\tau\ell$(ℓ=e, μ)를 베일·베일II 데이터를 결합해 최초로 탐색했다. $\tau$ 의 모든 네 가지 디케이 모드를 활용하고, $B_{\text{tag}}$ 로부터 전체 이벤트 네틀리시티를 복원해 $M_{\tau}$ 피크를 정밀하게 측정했다. 주요 배경은 $B\to D\ell\nu$ 로부터 발생하는 $K$–$\tau$ 조합이며, 이를 $D$ 질량 임계값 위에서 억제하고 BDT로 추가 억제했다. 결과는 $B^{0}\to K_{S}^{0}\tau\ell$ 에 대해 $