Observation of B$$^0$$ $$\rightarrow $$ $$\uppsi $$(2S)K$$^0_\mathrm {S}\uppi ^+\uppi ^-$$ and B$$^0_\mathrm {s}$$ $$\rightarrow $$ $$\uppsi $$(2S)K$$^0_\mathrm {S}$$ decays

Abstract

AbstractUsing a data sample of $$\sqrt{s}=13\,\text {TeV}$$<mml:math xmlns:mml="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mml:mrow> <mml:msqrt> <mml:mi>s</mml:mi> </mml:msqrt> <mml:mo>=</mml:mo> <mml:mn>13</mml:mn> <mml:mspace/> <mml:mtext>TeV</mml:mtext> </mml:mrow> </mml:math> proton-proton collisions collected by the CMS experiment at the LHC in 2017 and 2018 with an integrated luminosity of $$103\text {~fb}^{-1}$$<mml:math xmlns:mml="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mml:mrow> <mml:mn>103</mml:mn> <mml:mspace/> <mml:msup> <mml:mtext>fb</mml:mtext> <mml:mrow> <mml:mo>-</mml:mo> <mml:mn>1</mml:mn> </mml:mrow> </mml:msup> </mml:mrow> </mml:math>, the $$\text {B}^{0}_{\mathrm{s}} \rightarrow \uppsi (\text {2S})\text {K}_\mathrm{S}^{0}$$<mml:math xmlns:mml="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mml:mrow> <mml:msubsup> <mml:mtext>B</mml:mtext> <mml:mi>s</mml:mi> <mml:mn>0</mml:mn> </mml:msubsup> <mml:mo>→</mml:mo> <mml:mi>ψ</mml:mi> <mml:mrow> <mml:mo>(</mml:mo> <mml:mtext>2S</mml:mtext> <mml:mo>)</mml:mo> </mml:mrow> <mml:msubsup> <mml:mtext>K</mml:mtext> <mml:mrow> <mml:mi>S</mml:mi> </mml:mrow> <mml:mn>0</mml:mn> </mml:msubsup> </mml:mrow> </mml:math> and $$\text {B}^{0} \rightarrow \uppsi (\text {2S})\text {K}_\mathrm{S}^{0} \uppi ^+\uppi ^-$$<mml:math xmlns:mml="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mml:mrow> <mml:msup> <mml:mtext>B</mml:mtext> <mml:mn>0</mml:mn> </mml:msup> <mml:mo>→</mml:mo> <mml:mi>ψ</mml:mi> <mml:mrow> <mml:mo>(</mml:mo> <mml:mtext>2S</mml:mtext> <mml:mo>)</mml:mo> </mml:mrow> <mml:msubsup> <mml:mtext>K</mml:mtext> <mml:mrow> <mml:mi>S</mml:mi> </mml:mrow> <mml:mn>0</mml:mn> </mml:msubsup> <mml:msup> <mml:mi>π</mml:mi> <mml:mo>+</mml:mo> </mml:msup> <mml:msup> <mml:mi>π</mml:mi> <mml:mo>-</mml:mo> </mml:msup> </mml:mrow> </mml:math> decays are observed with significances exceeding 5 standard deviations. The resulting branching fraction ratios, measured for the first time, correspond to $${\mathcal {B}}(\text {B}^{0}_{\mathrm{s}} \rightarrow \uppsi (\text {2S})K_\mathrm{S}^{0})/{\mathcal {B}}(\text {B}^{0}\rightarrow \uppsi (\text {2S})K_\mathrm{S}^{0}) = (3.33 \pm 0.69 (\text {stat})\, \pm 0.11\,(\text {syst}) \pm 0.34\,(f_{\mathrm{s}}/f_{\mathrm{d}})) \times 10^{-2}$$<mml:math xmlns:mml="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mml:mrow> <mml:mi>B</mml:mi> <mml:mrow> <mml:mo>(</mml:mo> <mml:msubsup> <mml:mtext>B</mml:mtext> <mml:mi>s</mml:mi> <mml:mn>0</mml:mn> </mml:msubsup> <mml:mo>→</mml:mo> <mml:mi>ψ</mml:mi> <mml:mrow> <mml:mo>(</mml:mo> <mml:mtext>2S</mml:mtext> <mml:mo>)</mml:mo> </mml:mrow> <mml:msubsup> <mml:mi>K</mml:mi> <mml:mrow> <mml:mi>S</mml:mi> </mml:mrow> <mml:mn>0</mml:mn> </mml:msubsup> <mml:mo>)</mml:mo> </mml:mrow> <mml:mo>/</mml:mo> <mml:mi>B</mml:mi> <mml:mrow> <mml:mo>(</mml:mo> <mml:msup> <mml:mtext>B</mml:mtext> <mml:mn>0</mml:mn> </mml:msup> <mml:mo>→</mml:mo> <mml:mi>ψ</mml:mi> <mml:mrow> <mml:mo>(</mml:mo> <mml:mtext>2S</mml:mtext> <mml:mo>)</mml:mo> </mml:mrow> <mml:msubsup> <mml:mi>K</mml:mi> <mml:mrow> <mml:mi>S</mml:mi> </mml:mrow> <mml:mn>0</mml:mn> </mml:msubsup> <mml:mo>)</mml:mo> </mml:mrow> <mml:mo>=</mml:mo> <mml:mrow> <mml:mo>(</mml:mo> <mml:mn>3.33</mml:mn> <mml:mo>±</mml:mo> <mml:mn>0.69</mml:mn> <mml:mrow> <mml:mo>(</mml:mo> <mml:mtext>stat</mml:mtext> <mml:mo>)</mml:mo> </mml:mrow> <mml:mspace/> <mml:mo>±</mml:mo> <mml:mn>0.11</mml:mn> <mml:mspace/> <mml:mrow> <mml:mo>(</mml:mo> <mml:mtext>syst</mml:mtext> <mml:mo>)</mml:mo> </mml:mrow> <mml:mo>±</mml:mo> <mml:mn>0.34</mml:mn> <mml:mspace/> <mml:mrow> <mml:mo>(</mml:mo> <mml:msub> <mml:mi>f</mml:mi> <mml:mi>s</mml:mi> </mml:msub> <mml:mo>/</mml:mo> <mml:msub> <mml:mi>f</mml:mi> <mml:mi>d</mml:mi> </mml:msub> <mml:mo>)</mml:mo> </mml:mrow> <mml:mo>)</mml:mo> </mml:mrow> <mml:mo>×</mml:mo> <mml:msup> <mml:mn>10</mml:mn> <mml:mrow> <mml:mo>-</mml:mo> <mml:mn>2</mml:mn> </mml:mrow> </mml:msup> </mml:mrow> </mml:math> and $${\mathcal {B}}(\text {B}^{0} \rightarrow \uppsi (\text {2S})\text {K}_\mathrm{S}^{0} \uppi ^{+} \uppi ^{-})/ {\mathcal {B}}(\text {B}^{0} \rightarrow \uppsi (\text {2S})\text {K}^{0}_{\mathrm{S}}) = 0.480 \pm 0.013\,(\text {stat}) \pm 0.032\,(\text {syst})$$<mml:math xmlns:mml="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mml:mrow> <mml:mi>B</mml:mi> <mml:mrow> <mml:mo>(</mml:mo> <mml:msup> <mml:mtext>B</mml:mtext> <mml:mn>0</mml:mn> </mml:msup> <mml:mo>→</mml:mo> <mml:mi>ψ</mml:mi> <mml:mrow> <mml:mo>(</mml:mo> <mml:mtext>2S</mml:mtext> <mml:mo>)</mml:mo> </mml:mrow> <mml:msubsup> <mml:mtext>K</mml:mtext> <mml:mrow> <mml:mi>S</mml:mi> </mml:mrow> <mml:mn>0</mml:mn> </mml:msubsup> <mml:msup> <mml:mi>π</mml:mi> <mml:mo>+</mml:mo> </mml:msup> <mml:msup> <mml:mi>π</mml:mi> <mml:mo>-</mml:mo> </mml:msup> <mml:mo>)</mml:mo> </mml:mrow> <mml:mo>/</mml:mo> <mml:mi>B</mml:mi> <mml:mrow> <mml:mo>(</mml:mo> <mml:msup> <mml:mtext>B</mml:mtext> <mml:mn>0</mml:mn> </mml:msup> <mml:mo>→</mml:mo> <mml:mi>ψ</mml:mi> <mml:mrow> <mml:mo>(</mml:mo> <mml:mtext>2S</mml:mtext> <mml:mo>)</mml:mo> </mml:mrow> <mml:msubsup> <mml:mtext>K</mml:mtext> <mml:mi>S</mml:mi> <mml:mn>0</mml:mn> </mml:msubsup> <mml:mo>)</mml:mo> </mml:mrow> <mml:mo>=</mml:mo> <mml:mn>0.480</mml:mn> <mml:mo>±</mml:mo> <mml:mn>0.013</mml:mn> <mml:mspace/> <mml:mrow> <mml:mo>(</mml:mo> <mml:mtext>stat</mml:mtext> <mml:mo>)</mml:mo> </mml:mrow> <mml:mo>±</mml:mo> <mml:mn>0.032</mml:mn> <mml:mspace/> <mml:mrow> <mml:mo>(</mml:mo> <mml:mtext>syst</mml:mtext> <mml:mo>)</mml:mo> </mml:mrow> </mml:mrow> </mml:math>, where the last uncertainty in the first ratio is related to the uncertainty in the ratio of production cross sections of $$\hbox {B}^{0}_{\mathrm{s}}$$<mml:math xmlns:mml="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mml:msubsup> <mml:mtext>B</mml:mtext> <mml:mi>s</mml:mi> <mml:mn>0</mml:mn> </mml:msubsup> </mml:math> and $$\hbox {B}^{0}$$<mml:math xmlns:mml="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mml:msup> <mml:mtext>B</mml:mtext> <mml:mn>0</mml:mn> </mml:msup> </mml:math> mesons, $$f_{\mathrm{s}}/f_{\mathrm{d}}$$<mml:math xmlns:mml="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mml:mrow> <mml:msub> <mml:mi>f</mml:mi> <mml:mi>s</mml:mi> </mml:msub> <mml:mo>/</mml:mo> <mml:msub> <mml:mi>f</mml:mi> <mml:mi>d</mml:mi> </mml:msub> </mml:mrow> </mml:math>.