Observation of the rare Bs0 →µ+µ− decay from the combined analysis of CMS and LHCb data

Khachatryan, V. et al. (2015) Observation of the rare Bs0 →µ+µ− decay from the combined analysis of CMS and LHCb data. Nature, 522, pp. 68-72. (doi: 10.1038/nature14474)

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Abstract

The standard model of particle physics describes the fundamental particles and their interactions via the strong, electromagnetic and weak forces. It provides precise predictions for measurable quantities that can be tested experimentally. The probabilities, or branching fractions, of the strange B meson ( ) and the B0 meson decaying into two oppositely charged muons (μ+ and μ−) are especially interesting because of their sensitivity to theories that extend the standard model. The standard model predicts that the and decays are very rare, with about four of the former occurring for every billion mesons produced, and one of the latter occurring for every ten billion B0 mesons1. A difference in the observed branching fractions with respect to the predictions of the standard model would provide a direction in which the standard model should be extended. Before the Large Hadron Collider (LHC) at CERN2 started operating, no evidence for either decay mode had been found. Upper limits on the branching fractions were an order of magnitude above the standard model predictions. The CMS (Compact Muon Solenoid) and LHCb (Large Hadron Collider beauty) collaborations have performed a joint analysis of the data from proton–proton collisions that they collected in 2011 at a centre-of-mass energy of seven teraelectronvolts and in 2012 at eight teraelectronvolts. Here we report the first observation of the µ+µ− decay, with a statistical significance exceeding six standard deviations, and the best measurement so far of its branching fraction. Furthermore, we obtained evidence for the µ+µ− decay with a statistical significance of three standard deviations. Both measurements are statistically compatible with standard model predictions and allow stringent constraints to be placed on theories beyond the standard model. The LHC experiments will resume taking data in 2015, recording proton–proton collisions at a centre-of-mass energy of 13 teraelectronvolts, which will approximately double the production rates of and B0 mesons and lead to further improvements in the precision of these crucial tests of the standard model.

Item Type:Articles (Letter)
Status:Published
Refereed:Yes
Glasgow Author(s) Enlighten ID:Pappagallo, Dr Marco and Alexander, Dr Michael and Sail, Mr Paul and Spradlin, Dr Patrick and Ogilvy, Mr Stephen and Soler, Professor Paul and Borghi, Dr Silvia and Eklund, Professor Lars and Hynds, Mr Daniel
Authors: Khachatryan, V., Sirunyan, A.M., Tumasyan, A., Adam, W., Bergauer, T., Dragicevic, M., Erö, J., Friedl, M., Frühwirth, R., Ghete, V.M., Hartl, C., Hörmann, N., Hrubec, J., Jeitler, M., Kiesenhofer, W., Knünz, V., Krammer, M., Krätschmer, I., Liko, D., Mikulec, I., Rabady, D., Rahbaran, B., Rohringer, H., Schöfbeck, R., Strauss, J., Treberer-Treberspurg, W., Waltenberger, W., Wulz, C.-E., Mossolov, V., Shumeiko, N., Suarez Gonzalez, J., Alderweireldt, S., Bansal, S., Cornelis, T., De Wolf, E.A., Janssen, X., Knutsson, A., Lauwers, J., Luyckx, S., Ochesanu, S., Rougny, R., Van De Klundert, M., Van Haevermaet, H., Van Mechelen, P., Van Remortel, N., Van Spilbeeck, A., Blekman, F., Blyweert, S., D'Hondt, J., Daci, N., Heracleous, N., Keaveney, J., Lowette, S., Maes, M., Olbrechts, A., Python, Q., Strom, D., Tavernier, S., Van Doninck, W., Van Mulders, P., Van Onsem, G.P., Villella, I., Caillol, C., Clerbaux, B., De Lentdecker, G., Dobur, D., Favart, L., Gay, A.P.R., Grebenyuk, A., Léonard, A., Mohammadi, A., Perniè, L., Randle-conde, A., Reis, T., Seva, T., Thomas, L., Vander Velde, C., Vanlaer, P., Wang, J., Zenoni, F., Adler, V., Beernaert, K., Benucci, L., Cimmino, A., Costantini, S., Crucy, S., Dildick, S., Fagot, A., Garcia, G., Mccartin, J., Ocampo Rios, A.A., Ryckbosch, D., Salva Diblen, S., Sigamani, M., Strobbe, N., Thyssen, F., Tytgat, M., Yazgan, E., Zaganidis, N., Basegmez, S., Beluffi, C., Bruno, G., Castello, R., Caudron, A., Ceard, L., Da Silveira, G.G., Delaere, C., du Pree, T., Favart, D., Forthomme, L., Giammanco, A., Hollar, J., Jafari, A., Jez, P., Komm, M., Lemaitre, V., Nuttens, C., Pagano, D., Perrini, L., Pin, A., Piotrzkowski, K., Popov, A., Quertenmont, L., Selvaggi, M., Vidal Marono, M., Vizan Garcia, J.M., Beliy, N., Caebergs, T., Daubie, E., Hammad, G.H., Aldá Júnior, W.L., Alves, G.A., Brito, L., Correa Martins Junior, M., Dos Reis Martins, T., Mora Herrera, C., Pol, M.E., Rebello Teles, P., Carvalho, W., Chinellato, J., Custódio, A., Da Costa, E.M., De Jesus Damiao, D., De Oliveira Martins, C., Fonseca De Souza, S., Malbouisson, H., Matos Figueiredo, D., Mundim, L., Nogima, H., Prado Da Silva, W.L., Santaolalla, J., Santoro, A., Sznajder, A., Tonelli Manganote, E.J., Vilela Pereira, A., Bernardes, C.A., Dogra, S., Fernandez Perez Tomei, T.R., Gregores, E.M., Mercadante, P.G., Novaes, S.F., Padula, S. 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Sanders, S., Sekaric, J., Stringer, R., Wang, Q., Wood, J.S., Chakaberia, I., Ivanov, A., Khalil, S., Makouski, M., Maravin, Y., Saini, L.K., Skhirtladze, N., Svintradze, I., Gronberg, J., Lange, D., Rebassoo, F., Wright, D., Baden, A., Belloni, A., Calvert, B., Eno, S.C., Gomez, J.A., Hadley, N.J., Kellogg, R.G., Kolberg, T., Lu, Y., Mignerey, A.C., Pedro, K., Skuja, A., Tonjes, M.B., Tonwar, S.C., Apyan, A., Barbieri, R., Bauer, G., Busza, W., Cali, I.A., Chan, M., Di Matteo, L., Gomez Ceballos, G., Goncharov, M., Gulhan, D., Klute, M., Lai, Y.S., Lee, Y.-J., Levin, A., Luckey, P.D., Ma, T., Paus, C., Ralph, D., Roland, C., Roland, G., Stephans, G.S.F., Sumorok, K., Velicanu, D., Veverka, J., Wyslouch, B., Yang, M., Zanetti, M., Zhukova, V., Dahmes, B., Gude, A., Kao, S.C., Klapoetke, K., Kubota, Y., Mans, J., Pastika, N., Rusack, R., Singovsky, A., Tambe, N., Turkewitz, J., Acosta, J.G., Oliveros, S., Avdeeva, E., Bloom, K., Bose, S., Claes, D.R., Dominguez, A., Gonzalez Suarez, R., 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Marlow, D., Medvedeva, T., Mooney, M., Olsen, J., Piroué, P., Quan, X., Saka, H., Stickland, D., Tully, C., Werner, J.S., Zuranski, A., Brownson, E., Malik, S., Mendez, H., Ramirez Vargas, J.E., Barnes, V.E., Benedetti, D., Bortoletto, D., De Mattia, M., Gutay, L., Hu, Z., Jha, M.K., Jones, M., Jung, K., Kress, M., Leonardo, N., Miller, D.H., Neumeister, N., Radburn-Smith, B.C., Shi, X., Shipsey, I., Silvers, D., Svyatkovskiy, A., Wang, F., Xie, W., Xu, L., Zablocki, J., Parashar, N., Stupak, J., Adair, A., Akgun, B., Ecklund, K.M., Geurts, F.J.M., Li, W., Michlin, B., Padley, B.P., Redjimi, R., Roberts, J., Zabel, J., Betchart, B., Bodek, A., Covarelli, R., de Barbaro, P., Demina, R., Eshaq, Y., Ferbel, T., Garcia-Bellido, A., Goldenzweig, P., Han, J., Harel, A., Khukhunaishvili, A., Korjenevski, S., Petrillo, G., Vishnevskiy, D., Ciesielski, R., Demortier, L., Goulianos, K., Mesropian, C., Arora, S., Barker, A., Chou, J.P., Contreras-Campana, C., Contreras-Campana, E., Duggan, D., Ferencek, D., Gershtein, Y., Gray, R., Halkiadakis, E., Hidas, D., Kaplan, S., Lath, A., Panwalkar, S., Park, M., Patel, R., Salur, S., Schnetzer, S., Somalwar, S., Stone, R., Thomas, S., Thomassen, P., Walker, M., Rose, K., Spanier, S., York, A., Bouhali, O., Castaneda Hernandez, A., Eusebi, R., Flanagan, W., Gilmore, J., Kamon, T., Khotilovich, V., Krutelyov, V., Montalvo, R., Osipenkov, I., Pakhotin, Y., Perloff, A., Roe, J., Rose, A., Safonov, A., Suarez, I., Tatarinov, A., Ulmer, K.A., Akchurin, N., Cowden, C., Damgov, J., Dragoiu, C., Dudero, P.R., Faulkner, J., Kovitanggoon, K., Kunori, S., Lee, S.W., Libeiro, T., Volobouev, I., Appelt, E., Delannoy, A.G., Greene, S., Gurrola, A., Johns, W., Maguire, C., Mao, Y., Melo, A., Sharma, M., Sheldon, P., Snook, B., Tuo, S., Velkovska, J., Arenton, M.W., Boutle, S., Cox, B., Francis, B., Goodell, J., Hirosky, R., Ledovskoy, A., Li, H., Lin, C., Neu, C., Wood, J., Clarke, C., Harr, R., Karchin, P.E., Kottachchi Kankanamge Don, C., Lamichhane, P., Sturdy, J., Belknap, D.A., Carlsmith, D., Cepeda, M., Dasu, S., Dodd, L., Duric, S., Friis, E., Hall-Wilton, R., Herndon, M., Hervé, A., Klabbers, P., Lanaro, A., Lazaridis, C., Levine, A., Loveless, R., Mohapatra, A., Ojalvo, I., Perry, T., Pierro, G.A., Polese, G., Ross, I., Sarangi, T., Savin, A., Smith, W.H., Taylor, D., Vuosalo, C., Woods, N., Bediaga, I., De Miranda, J.M., Ferreira Rodrigues, F., Gomes, A., Massafferri, A., dos Reis, A.C., Rodrigues, A.B., Amato, S., Carvalho Akiba, K., De Paula, L., Francisco, O., Gandelman, M., Hicheur, A., Lopes, J.H., Martins Tostes, D., Nasteva, I., Otalora Goicochea, J.M., Polycarpo, E., Potterat, C., Rangel, M.S., Salustino Guimaraes, V., Souza De Paula, B., Vieira, D., An, L., Gao, Y., Jing, F., Li, Y., Yang, Z., Yuan, X., Zhang, Y., Zhong, L., Beaucourt, L., Chefdeville, M., Decamp, D., Déléage, N., Ghez, P., Lees, J.-P., Marchand, J.F., Minard, M.-N., Pietrzyk, B., Qian, W., T'Jampens, S., Tisserand, V., Tournefier, E., 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A., De Cian, M., Dordei, F., Esen, S., Färber, C., Gersabeck, E., Grillo, L., Han, X., Hansmann-Menzemer, S., Jaeger, A., Kolpin, M., Kreplin, K., Krocker, G., Leverington, B., Marks, J., Meissner, M., Neuner, M., Nikodem, T., Seyfert, P., Stahl, M., Stahl, S., Uwer, U., Vesterinen, M., Wandernoth, S., Wiedner, D., Zhelezov, A., McNulty, R., Wallace, R., Zhang, W.C., Palano, A., Carbone, A., Falabella, A., Galli, D., Marconi, U., Moggi, N., Mussini, M., Perazzini, S., Vagnoni, V., Valenti, G., Zangoli, M., Bonivento, W., Cadeddu, S., Cardini, A., Cogoni, V., Contu, A., Lai, A., Liu, B., Manca, G., Oldeman, R., Saitta, B., Vacca, C., Andreotti, M., Baldini, W., Bozzi, C., Calabrese, R., Corvo, M., Fiore, M., Fiorini, M., Luppi, E., Pappalardo, L.L., Shapoval, I., Tellarini, G., Tomassetti, L., Vecchi, S., Anderlini, L., Bizzeti, A., Frosini, M., Graziani, G., Passaleva, G., Veltri, M., Bencivenni, G., Campana, P., De Simone, P., Lanfranchi, G., Palutan, M., Rama, M., Sarti, A., 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B., Santamarina Rios, C., Vazquez Regueiro, P., Vázquez Sierra, C., Vieites Diaz, M., Alessio, F., Archilli, F., Barschel, C., Benson, S., Buytaert, J., Campora Perez, D., Castillo Garcia, L., Cattaneo, M., Charpentier, P., Cid Vidal, X., Clemencic, M., Closier, J., Coco, V., Collins, P., Corti, G., Couturier, B., D'Ambrosio, C., Dettori, F., Di Canto, A., Dijkstra, H., Durante, P., Ferro-Luzzi, M., Forty, R., Frank, M., Frei, C., Gaspar, C., Gligorov, V.V., Granado Cardoso, L.A., Gys, T., Haen, C., He, J., Head, T., van Herwijnen, E., Jacobsson, R., Johnson, D., Joram, C., Jost, B., Karacson, M., Karbach, T.M., Lacarrere, D., Langhans, B., Lindner, R., Linn, C., Lohn, S., Mapelli, A., Matev, R., Mathe, Z., Neubert, S., Neufeld, N., Otto, A., Panman, J., Pepe Altarelli, M., Rauschmayr, N., Rihl, M., Roiser, S., Ruf, T., Schindler, H., Schmidt, B., Schopper, A., Schwemmer, R., Sridharan, S., Stagni, F., Subbiah, V.K., Teubert, F., Thomas, E., Tonelli, D., Trisovic, A., Ubeda Garcia, M., 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Lambert, R.W., Martinez Santos, D., Raven, G., Schiller, M., Syropoulos, V., Tolk, S., Dovbnya, A., Kandybei, S., Raniuk, I., Okhrimenko, O., Pugatch, V., Bifani, S., Farley, N., Griffith, P., Kenyon, I.R., Lazzeroni, C., Mazurov, A., McCarthy, J., Pescatore, L., Watson, N.K., Williams, M.P., Adinolfi, M., Benton, J., Brook, N.H., Cook, A., Coombes, M., Dalseno, J., Hampson, T., Harnew, S.T., Naik, P., Price, E., Prouve, C., Rademacker, J.H., Richards, S., Saunders, D.M., Skidmore, N., Souza, D., Velthuis, J.J., Voong, D., Barter, W., Bettler, M.-O., Cliff, H.V., Evans, H.-M., Garra Tico, J., Gibson, V., Gregson, S., Haines, S.C., Jones, C.R., Sirendi, M., Smith, J., Ward, D.R., Wotton, S.A., Wright, S., Back, J.J., Blake, T., Craik, D.C., Crocombe, A.C., Dossett, D., Gershon, T., Kreps, M., Langenbruch, C., Latham, T., O'Hanlon, D.P., Pilař, T., Poluektov, A., Reid, M.M., Silva Coutinho, R., Wallace, C., Whitehead, M., Easo, S., Nandakumar, R., Papanestis, A., Ricciardi, S., Wilson, 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Reichert, S., Rodrigues, E., Rodriguez Perez, P., Smith, M., Cheung, S.-F., Derkach, D., Evans, T., Gauld, R., Greening, E., Harnew, N., Hill, D., Hunt, P., Hussain, N., Jalocha, J., John, M., Lupton, O., Malde, S., Smith, E., Stevenson, S., Thomas, C., Topp-Joergensen, S., Torr, N., Wilkinson, G., Counts, I., Ilten, P., Williams, M., Andreassen, R., Davis, A., De Silva, W., Meadows, B., Sokoloff, M.D., Sun, L., Todd, J., Andrews, J.E., Hamilton, B., Jawahery, A., Wimberley, J., Artuso, M., Blusk, S., Borgia, A., Britton, T., Ely, S., Gandini, P., Garofoli, J., Gui, B., Hadjivasiliou, C., Jurik, N., Kelsey, M., Mountain, R., Pal, B.K., Skwarnicki, T., Stone, S., Wang, J., Xing, Z., Zhang, L., Baesso, C., Cruz Torres, M., Göbel, C., Molina Rodriguez, J., Xie, Y., Milanes, D.A., Grünberg, O., Heß, M., Voß, C., Waldi, R., Likhomanenko, T., Malinin, A., Shevchenko, V., Ustyuzhanin, A., Martinez Vidal, F., Oyanguren, A., Ruiz Valls, P., Sanchez Mayordomo, C., Onderwater, C.J.G., Wilschut, H.W., and Pesen, E.
College/School:College of Science and Engineering > School of Physics and Astronomy
Journal Name:Nature
Publisher:Nature Publishing Group
ISSN:0028-0836
Published Online:13 May 2015
Copyright Holders:Copyright © 2015 The Authors
First Published:First published in Nature 522:68-72
Publisher Policy:Reproduced under a Creative Commons License

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