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Title: Precise determination of the $$B_{\mathrm{s}}^0$$–$$\overline B_{\mathrm{s}}^0$$ oscillation frequency
Abstract Mesons comprising a beauty quark and strange quark can oscillate between particle ( $${B}_{\mathrm{s}}^{0}$$ B s 0 ) and antiparticle ( $${\overline{B}}_{\mathrm{s}}^{0}$$ B ¯ s 0 ) flavour eigenstates, with a frequency given by the mass difference between heavy and light mass eigenstates, Δ m s . Here we present a measurement of Δ m s using $${B}_{\mathrm{s}}^{0}\to {D}_{\mathrm{s}}^{-}$$ B s 0 → D s − π + decays produced in proton–proton collisions collected with the LHCb detector at the Large Hadron Collider. The oscillation frequency is found to be Δ m s  = 17.7683 ± 0.0051 ± 0.0032 ps −1 , where the first uncertainty is statistical and the second is systematic. This measurement improves on the current Δ m s precision by a factor of two. We combine this result with previous LHCb measurements to determine Δ m s  = 17.7656 ± 0.0057 ps −1 , which is the legacy measurement of the original LHCb detector.
Authors:
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Award ID(s):
1803004
Publication Date:
NSF-PAR ID:
10343984
Journal Name:
Nature Physics
Volume:
18
Issue:
1
Page Range or eLocation-ID:
1 to 5
ISSN:
1745-2473
Sponsoring Org:
National Science Foundation
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  1. Abstract A measurement of the $$ B_{s}^{0} \rightarrow J/\psi \phi $$ B s 0 → J / ψ ϕ decay parameters using $$ 80.5\, \mathrm {fb^{-1}} $$ 80.5 fb - 1 of integrated luminosity collected with the ATLAS detector from 13  $$\text {Te}\text {V}$$ Te proton–proton collisions at the LHC is presented. The measured parameters include the CP -violating phase $$\phi _{s} $$ ϕ s , the width difference $$ \Delta \Gamma _{s}$$ Δ Γ s between the $$B_{s}^{0}$$ B s 0 meson mass eigenstates and the average decay width $$ \Gamma _{s}$$ Γ s . The values measured for the physical parameters are combined with those from $$ 19.2\, \mathrm {fb^{-1}} $$ 19.2 fb - 1 of 7 and 8  $$\text {Te}\text {V}$$ Te data, leading to the following: $$\begin{aligned} \phi _{s}= & {} -0.087 \pm 0.036 ~\mathrm {(stat.)} \pm 0.021 ~\mathrm {(syst.)~rad} \\ \Delta \Gamma _{s}= & {} 0.0657 \pm 0.0043 ~\mathrm {(stat.)}\pm 0.0037 ~\mathrm {(syst.)~ps}^{-1} \\ \Gamma _{s}= & {} 0.6703 \pm 0.0014 ~\mathrm {(stat.)}\pm 0.0018 ~\mathrm {(syst.)~ps}^{-1} \end{aligned}$$ ϕ s = - 0.087 ± 0.036 ( stat . ) ± 0.021 ( syst . ) rad Δ Γ s = 0.0657 ± 0.0043 ( stat .more ») ± 0.0037 ( syst . ) ps - 1 Γ s = 0.6703 ± 0.0014 ( stat . ) ± 0.0018 ( syst . ) ps - 1 Results for $$\phi _{s} $$ ϕ s and $$ \Delta \Gamma _{s}$$ Δ Γ s are also presented as 68% confidence level contours in the $$\phi _{s} $$ ϕ s – $$ \Delta \Gamma _{s}$$ Δ Γ s plane. Furthermore the transversity amplitudes and corresponding strong phases are measured. $$\phi _{s} $$ ϕ s and $$ \Delta \Gamma _{s}$$ Δ Γ s measurements are in agreement with the Standard Model predictions.« less
  2. A bstract The Cabibbo-suppressed decay $$ {\Lambda}_{\mathrm{b}}^0 $$ Λ b 0 → χ c1 pπ − is observed for the first time using data from proton-proton collisions corresponding to an integrated luminosity of 6 fb − 1 , collected with the LHCb detector at a centre-of-mass energy of 13 TeV. Evidence for the $$ {\Lambda}_{\mathrm{b}}^0 $$ Λ b 0 → χ c2 pπ − decay is also found. Using the $$ {\Lambda}_{\mathrm{b}}^0 $$ Λ b 0 → χ c1 pK − decay as normalisation channel, the ratios of branching fractions are measured to be $$ {\displaystyle \begin{array}{c}\frac{\mathcal{B}\left({\Lambda}_{\mathrm{b}}^0\to {\upchi}_{\mathrm{c}1}{\mathrm{p}\uppi}^{-}\right)}{\mathcal{B}\left({\Lambda}_{\mathrm{b}}^0\to {\upchi}_{\mathrm{c}1}{\mathrm{p}\mathrm{K}}^{-}\right)}=\left(6.59\pm 1.01\pm 0.22\right)\times {10}^{-2},\\ {}\frac{\mathcal{B}\left({\Lambda}_{\mathrm{b}}^0\to {\upchi}_{\mathrm{c}2}{\mathrm{p}\uppi}^{-}\right)}{\mathcal{B}\left({\Lambda}_{\mathrm{b}}^0\to {\upchi}_{\mathrm{c}1}{\mathrm{p}\uppi}^{-}\right)}=0.95\pm 0.30\pm 0.04\pm 0.04,\\ {}\frac{\mathcal{B}\left({\Lambda}_{\mathrm{b}}^0\to {\upchi}_{\mathrm{c}2}{\mathrm{p}\mathrm{K}}^{-}\right)}{\mathcal{B}\left({\Lambda}_{\mathrm{b}}^0\to {\upchi}_{\mathrm{c}1}{\mathrm{p}\mathrm{K}}^{-}\right)}=1.06\pm 0.05\pm 0.04\pm 0.04,\end{array}} $$ B Λ b 0 → χ c 1 pπ − B Λ b 0 → χ c 1 pK − = 6.59 ± 1.01 ± 0.22 × 10 − 2 , B Λ b 0 → χ c 2 pπ − B Λ b 0 → χ c 1 pπ − = 0.95 ± 0.30 ± 0.04 ± 0.04 , B Λ b 0 → χ c 2 pK − B Λ b 0 → χ c 1 pK − = 1.06 ± 0.05 ±more »0.04 ± 0.04 , where the first uncertainty is statistical, the second is systematic and the third is due to the uncertainties in the branching fractions of χ c1 , 2 → J / ψγ decays.« less
  3. A bstract A measurement of inclusive, prompt, and non-prompt J/ ψ production in p-Pb collisions at a nucleon-nucleon centre-of-mass energy $$ \sqrt{s_{\mathrm{NN}}} $$ s NN = 5 . 02 TeV is presented. The inclusive J/ ψ mesons are reconstructed in the dielectron decay channel at midrapidity down to a transverse momentum p T = 0. The inclusive J/ ψ nuclear modification factor R pPb is calculated by comparing the new results in p-Pb collisions to a recently measured proton-proton reference at the same centre-of-mass energy. Non-prompt J/ ψ mesons, which originate from the decay of beauty hadrons, are separated from promptly produced J/ ψ on a statistical basis for p T larger than 1.0 GeV/ c . These results are based on the data sample collected by the ALICE detector during the 2016 LHC p-Pb run, corresponding to an integrated luminosity $$ \mathcal{L} $$ L int = 292 ± 11 μ b − 1 , which is six times larger than the previous publications. The total uncertainty on the p T -integrated inclusive J/ ψ and non-prompt J/ ψ cross section are reduced by a factor 1.7 and 2.2, respectively. The measured cross sections and R pPb are compared withmore »theoretical models that include various combinations of cold nuclear matter effects. From the non-prompt J/ ψ production cross section, the $$ \mathrm{b}\overline{\mathrm{b}} $$ b b ¯ production cross section at midrapidity, $$ {\mathrm{d}\sigma}_{\mathrm{b}\overline{\mathrm{b}}} $$ d σ b b ¯ / d y , and the total cross section extrapolated over full phase space, $$ {\sigma}_{\mathrm{b}\overline{\mathrm{b}}} $$ σ b b ¯ , are derived.« less
  4. A bstract This article presents differential measurements of the asymmetry between $$ {\varLambda}_b^0 $$ Λ b 0 and $$ {\overline{\varLambda}}_b^0 $$ Λ ¯ b 0 baryon production rates in proton-proton collisions at centre-of-mass energies of $$ \sqrt{s} $$ s = 7 and 8 TeV collected with the LHCb experiment, corresponding to an integrated luminosity of 3 fb − 1 . The $$ {\varLambda}_b^0 $$ Λ b 0 baryons are reconstructed through the inclusive semileptonic decay $$ {\varLambda}_b^0 $$ Λ b 0 → $$ {\varLambda}_c^{+} $$ Λ c + μ − $$ \overline{\nu} $$ ν ¯ μ X . The production asymmetry is measured both in intervals of rapidity in the range 2 . 15 < y < 4 . 10 and transverse momentum in 2 < p T < 27 GeV/ c . The results are found to be incompatible with symmetric production with a significance of 5.8 standard deviations for both $$ \sqrt{s} $$ s = 7 and 8 TeV data, assuming no CP violation in the decay. There is evidence for a trend as a function of rapidity with a significance of 4 standard deviations. Comparisons to predictions from hadronisation models in P ythia and heavy-quark recombination aremore »provided. This result constitutes the first observation of a particle-antiparticle asymmetry in b -hadron production at LHC energies.« less
  5. A bstract The inclusive J/ ψ elliptic ( v 2 ) and triangular ( v 3 ) flow coefficients measured at forward rapidity (2 . 5 < y < 4) and the v 2 measured at midrapidity (| y | < 0 . 9) in Pb-Pb collisions at $$ \sqrt{s_{\mathrm{NN}}} $$ s NN = 5 . 02 TeV using the ALICE detector at the LHC are reported. The entire Pb-Pb data sample collected during Run 2 is employed, amounting to an integrated luminosity of 750 μ b − 1 at forward rapidity and 93 μ b − 1 at midrapidity. The results are obtained using the scalar product method and are reported as a function of transverse momentum p T and collision centrality. At midrapidity, the J/ ψ v 2 is in agreement with the forward rapidity measurement. The centrality averaged results indicate a positive J/ ψ v 3 with a significance of more than 5 σ at forward rapidity in the p T range 2 < p T < 5 GeV/ c . The forward rapidity v 2 , v 3 , and v 3 /v 2 results at low and intermediate p T ( p T ≲ 8more »GeV/ c ) exhibit a mass hierarchy when compared to pions and D mesons, while converging into a species-independent curve at higher p T . At low and intermediate p T , the results could be interpreted in terms of a later thermalization of charm quarks compared to light quarks, while at high p T , path-length dependent effects seem to dominate. The J/ ψ v 2 measurements are further compared to a microscopic transport model calculation. Using a simplified extension of the quark scaling approach involving both light and charm quark flow components, it is shown that the D-meson v n measurements can be described based on those for charged pions and J/ ψ flow.« less