[論文レビュー] Determination of $|V_{cb}|$ using $\overline{B}^0 o D^{*+}\ell^-\bar u_\ell$ decays with Belle II

I. Adachi, K. Adamczyk+417 more|arXiv (Cornell University)|Jan 1, 2023

Particle physics theoretical and experimental studies参考文献 45被引用数 1

ひとこと要約

本論文は、Belle II実験が取得した189 fb⁻¹のe⁺e⁻衝突データを用い、B⁰ → D*⁺ℓ⁻ν̄ℓ崩壊を分析することで、Cabibbo-Kobayashi-Maskawa行列要素|Vcb|の高精度決定を提示する。BGLおよびCLNパラメータ化法を用い、格子QCDの入力を組み込むことで、|Vcb| = (40.57 ± 0.31 ± 0.95 ± 0.58)×10⁻³および(40.13 ± 0.27 ± 0.93 ± 0.58)×10⁻³を報告する。全角運動量および運動量依存の部分崩壊断面積測定が行われ、すべての結果はレプトンのフレーバー不変性と整合的である。

ABSTRACT

We determine the CKM matrix-element magnitude $|V_{cb}|$ using $\overline{B}^0 o D^{*+}\ell^-\bar u_\ell$ decays reconstructed in $189 \, \mathrm{fb}^{-1}$ of collision data collected by the Belle II experiment, located at the SuperKEKB $e^+e^-$ collider. Partial decay rates are reported as functions of the recoil parameter $w$ and three decay angles separately for electron and muon final states. We obtain $|V_{cb}|$ using the Boyd-Grinstein-Lebed and Caprini-Lellouch-Neubert parametrizations, and find $|V_{cb}|_\mathrm{BGL}=(40.57\pm 0.31 \pm 0.95\pm 0.58) imes 10^{-3}$ and $|V_{cb}|_\mathrm{CLN}=(40.13 \pm 0.27 \pm 0.93\pm 0.58 ) imes 10^{-3}$ with the uncertainties denoting statistical components, systematic components, and components from the lattice QCD input, respectively. The branching fraction is measured to be ${\cal B}(\overline{B}^0 o D^{*+}\ell^-\bar u_\ell)=(4.922 \pm 0.023 \pm 0.220)\%$. The ratio of branching fractions for electron and muon final states is found to be $0.998 \pm 0.009 \pm 0.020$. In addition, we determine the forward-backward angular asymmetry and the $D^{*+}$ longitudinal polarization fractions. All results are compatible with lepton-flavor universality in the Standard Model.

研究の動機と目的

• Belle IIにおける半レプトン的B⁰ → D*⁺ℓ⁻ν̄ℓ崩壊を用いた|Vcb|の高精度決定。
• 電子およびミュオンの最終状態に対して、運動量パラメータwおよび崩壊角（θℓ、θK、φ）の関数としての部分崩壊断面積の測定。
• 電子とミュオンの最終状態の分岐比を比較することで、レプトンフレーバー不変性の検証。
• 格子QCD制約を用いたBGLおよびCLNパラメータ化法によるフォーム因子パラメータの抽出。
• 検出器効果、バックグラウンドモデル化、格子QCD入力からの系統的不確かさの評価。

提案手法

• SuperKEKB加速器で取得された189 fb⁻¹のe⁺e⁻衝突データを用いる。
• D*⁺およびレプトンの全運動量再構成を伴うB⁰ → D*⁺ℓ⁻ν̄ℓ崩壊の再構成。
• 電子およびミュオンの最終状態に対して、運動量パラメータwおよび3つの崩壊角（θℓ、θK、φ）の関数としての部分崩壊断面積を測定。
• フォーム因子をモデル化するため、BGLおよびCLNパラメータ化法を適用し、hA1(w)、R1(w)、R2(w)に関するFNAL/MILC格子QCD結果を制約として組み込む。
• フォーム因子パラメータ化の最適な展開次数を特定するため、ネストド仮説検定を実施。
• データと格子QCD入力を同時にフィットし、χ²を最小化することで、統計的不確かさ、系統的不確かさ、格子QCD入力の不確かさを含めた|Vcb|を抽出。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 Belle IIデータを用い、全角運動量および運動量依存性を考慮したB⁰ → D*⁺ℓ⁻ν̄ℓ崩壊から、|Vcb|の正確な値は何か？
• RQ2 格子QCD入力で制約された場合、BGLおよびCLNパラメータ化法はフォーム因子をどのように記述するか？
• RQ3 電子およびミュオンの最終状態の分岐比の測定比は、標準模型におけるレプトンフレーバー不変性と整合的か？
• RQ4 FNAL/MILC格子QCD予測によるhA1(w)、R1(w)、R2(w)を含めた場合、最適なフォーム因子展開次数は何か？
• RQ5 格子入力を組み込むと、抽出されたフォーム因子パラメータおよびそれらの相関関係はどのように変化するか？

主な発見

• BGLパラメータ化法を用いることで、|Vcb|は(40.57 ± 0.31 ± 0.95 ± 0.58)×10⁻³に決定され、それぞれ統計的不確かさ、系統的不確かさ、格子QCD入力の不確かさに対応する。
• CLNパラメータ化法では|Vcb| = (40.13 ± 0.27 ± 0.93 ± 0.58)×10⁻³が得られ、両者の結果は不確かさの範囲内で整合的である。
• B⁰ → D*⁺ℓ⁻ν̄ℓの分岐比は(4.922 ± 0.023 ± 0.220)%に測定された。
• 電子とミュオンの最終状態の分岐比の比は0.998 ± 0.009 ± 0.020であり、レプトンフレーバー不変性と整合的である。
• FNAL/MILC格子QCD予測（hA1(w)、R1(w)、R2(w)）を組み込むと、妥当なχ²を得るためにはBGL展開の次数を高める必要があり（na=1, nb=3, nc=2）、この場合|Vcb| = 39.7 ± 1.1×10⁻³が得られた。
• フィットされたフォーム因子パラメータおよびそれらの相関関係は、不確かさの完全な伝播を伴って提供されており、将来の格子QCDやグローバルフィットとの比較に役立つ。