Study of the rare decays of B0 s and B0 mesons into muon pairs using data collected during 2015 and 2016 with the ATLAS detector (2019)

A bstract A study of the decays B s 0 → μ + μ − and B 0 → μ + μ − has been performed using 26.3 fb −1 of 13 TeV LHC proton-proton collision data collected with the ATLAS detector in 2015 and 2016. Since the detector resolution in μ + μ − invariant mass is comparable to the B s 0 - B 0 mass difference, a single fit determines the signal yields for both decay modes. This results in a measurement of the branching fraction $$ \mathrm{\mathcal{B}}\left({B}_s^0\to {\mu}^{+}{\mu}^{-}\right)=\left({3.2}_{-1.0}^{+1.1}\right)\times {10}^{-9} $$ <mml:math xmlns:mml="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mml:mi>ℬ</mml:mi> <mml:mfenced> <mml:mrow> <mml:msubsup> <mml:mi>B</mml:mi> <mml:mi>s</mml:mi> <mml:mn>0</mml:mn> </mml:msubsup> <mml:mo>→</mml:mo> <mml:msup> <mml:mi>μ</mml:mi> <mml:mo>+</mml:mo> </mml:msup> <mml:msup> <mml:mi>μ</mml:mi> <mml:mo>−</mml:mo> </mml:msup> </mml:mrow> </mml:mfenced> <mml:mo>=</mml:mo> <mml:mfenced> <mml:msubsup> <mml:mn>3.2</mml:mn> <mml:mrow> <mml:mo>−</mml:mo> <mml:mn>1.0</mml:mn> </mml:mrow> <mml:mrow> <mml:mo>+</mml:mo> <mml:mn>1.1</mml:mn> </mml:mrow> </mml:msubsup> </mml:mfenced> <mml:mo>×</mml:mo> <mml:msup> <mml:mn>10</mml:mn> <mml:mrow> <mml:mo>−</mml:mo> <mml:mn>9</mml:mn> </mml:mrow> </mml:msup> </mml:math> and an upper limit $$ \mathrm{\mathcal{B}}\left({B}^0\to {\mu}^{+}{\mu}^{-}\right)&lt;4.3\times {10}^{-10} $$ <mml:math xmlns:mml="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mml:mi>ℬ</mml:mi> <mml:mfenced> <mml:mrow> <mml:msup> <mml:mi>B</mml:mi> <mml:mn>0</mml:mn> </mml:msup> <mml:mo>→</mml:mo> <mml:msup> <mml:mi>μ</mml:mi> <mml:mo>+</mml:mo> </mml:msup> <mml:msup> <mml:mi>μ</mml:mi> <mml:mo>−</mml:mo> </mml:msup> </mml:mrow> </mml:mfenced> <mml:mo>&lt;</mml:mo> <mml:mn>4.3</mml:mn> <mml:mo>×</mml:mo> <mml:msup> <mml:mn>10</mml:mn> <mml:mrow> <mml:mo>−</mml:mo> <mml:mn>10</mml:mn> </mml:mrow> </mml:msup> </mml:math> at 95% confidence level. The result is combined with the Run 1 ATLAS result, yielding $$ \mathrm{\mathcal{B}}\left({B}_s^0\to {\mu}^{+}{\mu}^{-}\right)=\left({2.8}_{-0.7}^{+0.8}\right)\times {10}^{-9} $$ <mml:math xmlns:mml="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mml:mi>ℬ</mml:mi> <mml:mfenced> <mml:mrow> <mml:msubsup> <mml:mi>B</mml:mi> <mml:mi>s</mml:mi> <mml:mn>0</mml:mn> </mml:msubsup> <mml:mo>→</mml:mo> <mml:msup> <mml:mi>μ</mml:mi> <mml:mo>+</mml:mo> </mml:msup> <mml:msup> <mml:mi>μ</mml:mi> <mml:mo>−</mml:mo> </mml:msup> </mml:mrow> </mml:mfenced> <mml:mo>=</mml:mo> <mml:mfenced> <mml:msubsup> <mml:mn>2.8</mml:mn> <mml:mrow> <mml:mo>−</mml:mo> <mml:mn>0.7</mml:mn> </mml:mrow> <mml:mrow> <mml:mo>+</mml:mo> <mml:mn>0.8</mml:mn> </mml:mrow> </mml:msubsup> </mml:mfenced> <mml:mo>×</mml:mo> <mml:msup> <mml:mn>10</mml:mn> <mml:mrow> <mml:mo>−</mml:mo> <mml:mn>9</mml:mn> </mml:mrow> </mml:msup> </mml:math> and $$ \mathrm{\mathcal{B}}\left({B}^0\to {\mu}^{+}{\mu}^{-}\right)&lt;2.1\times {10}^{-10} $$ <mml:math xmlns:mml="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mml:mi>ℬ</mml:mi> <mml:mfenced> <mml:mrow> <mml:msup> <mml:mi>B</mml:mi> <mml:mn>0</mml:mn> </mml:msup> <mml:mo>→</mml:mo> <mml:msup> <mml:mi>μ</mml:mi> <mml:mo>+</mml:mo> </mml:msup> <mml:msup> <mml:mi>μ</mml:mi> <mml:mo>−</mml:mo> </mml:msup> </mml:mrow> </mml:mfenced> <mml:mo>&lt;</mml:mo> <mml:mn>2.1</mml:mn> <mml:mo>×</mml:mo> <mml:msup> <mml:mn>10</mml:mn> <mml:mrow> <mml:mo>−</mml:mo> <mml:mn>10</mml:mn> </mml:mrow> </mml:msup> </mml:math> at 95% confidence level. The combined result is consistent with the Standard Model prediction within 2.4 standard deviations in the $$ \mathrm{\mathcal{B}}\left({B}^0\to {\mu}^{+}{\mu}^{-}\right)-\mathrm{\mathcal{B}}\left({B}_s^0\to {\mu}^{+}{\mu}^{-}\right) $$ <mml:math xmlns:mml="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mml:mi>ℬ</mml:mi> <mml:mfenced> <mml:mrow> <mml:msup> <mml:mi>B</mml:mi> <mml:mn>0</mml:mn> </mml:msup> <mml:mo>→</mml:mo> <mml:msup> <mml:mi>μ</mml:mi> <mml:mo>+</mml:mo> </mml:msup> <mml:msup> <mml:mi>μ</mml:mi> <mml:mo>−</mml:mo> </mml:msup> </mml:mrow> </mml:mfenced> <mml:mo>−</mml:mo> <mml:mi>ℬ</mml:mi> <mml:mfenced> <mml:mrow> <mml:msubsup> <mml:mi>B</mml:mi> <mml:mi>s</mml:mi> <mml:mn>0</mml:mn> </mml:msubsup> <mml:mo>→</mml:mo> <mml:msup> <mml:mi>μ</mml:mi> <mml:mo>+</mml:mo> </mml:msup> <mml:msup> <mml:mi>μ</mml:mi> <mml:mo>−</mml:mo> </mml:msup> </mml:mrow> </mml:mfenced> </mml:math>