[論文レビュー] Measurement of branching fractions and direct $CP$ asymmetries for $B o K\pi$ and $B o\pi\pi$ decays at Belle II

I. Adachi, L. Aggarwal+436 more|arXiv (Cornell University)|Jan 1, 2023

Particle physics theoretical and experimental studies被引用数 2

ひとこと要約

本論文では、Belle IIの387百万個の$B\bar{B}$対から得られたデータを用いて、$B^0 \to K^+\pi^-$、$B^+ \to K^+\pi^0$、$B^+ \to \bar{K}^0\pi^+$、$B^0 \to \bar{K}^0\pi^0$、$B^+ \to \pi^+\pi^0$、および$B^0 \to \pi^+\pi^-$崩壊の分岐率および直接CP非対称性の高精度な測定を提示する。測定されたアイソスピン和分のCP非対称性は$-0.03 \pm 0.13 \pm 0.04$であり、標準模型予測のゼロと整合しており、アイソスピン対称性を介した新物理の厳密なテストを可能にする。

ABSTRACT

We report measurements of the branching fractions and direct $\it{CP}$ asymmetries of the decays $B^0 o K^+ \pi^-$, $B^+ o K^+ \pi^0$, $B^+ o K^0 \pi^+$, and $B^0 o K^0 \pi^0$, and use these for testing the standard model through an isospin-based sum rule. In addition, we measure the branching fraction and direct $\it{CP}$ asymmetry of the decay $B^+ o \pi^+\pi^0$ and the branching fraction of the decay $B^0 o \pi^+\pi^-$. The data are collected with the Belle II detector from $e^+e^-$ collisions at the $\Upsilon(4S)$ resonance produced by the SuperKEKB asymmetric-energy collider and contain $387 imes 10^6$ bottom-antibottom meson pairs. Signal yields are determined in two-dimensional fits to background-discriminating variables, and range from 500 to 3900 decays, depending on the channel. We obtain $-0.03 \pm 0.13 \pm 0.04$ for the sum rule, in agreement with the standard model expectation of zero and with a precision comparable to the best existing determinations.

研究の動機と目的

• SuperKEKB加速器からの大規模データサンプルを用いて、$B \to K\pi$および$B \to \pi\pi$のダミーでない崩壊の分岐率と直接CP非対称性を測定すること。
• これらの崩壊の直接CP非対称性の和がゼロとなるアイソスピンに基づく和則を用いて、標準模型をテストすること。
• $B \to K\pi$および$B \to \pi\pi$崩壊におけるCP非対称性測定の精度を向上させ、標準模型を超える新物理の感受性を高めること。
• 背景を区別する変数における二次元フィットを用いて信号yieldを抽出することで、系統的不確実性を低減すること。

提案手法

• データは、SuperKEKBでのe⁺e⁻衝突から得られた$\Upsilon(4S)$共鳴状態で、Belle II検出器を用いて収集された。対応する$B\bar{B}$対は387 × 10⁶個である。
• 背景を抑制するために、インヴァリアント質量およびエネルギー差といった運動量変数を用いた二次元拡張最大尤度フィットにより、信号yieldが抽出された。
• アイソスピン和則が、$B \to K\pi$および$B \to \pi\pi$崩壊のCP非対称性を組み合わせ、標準模型では和がゼロとなるように適用された。
• 系統的不確実性は、コントロールサンプル、モンテカルロシミュレーション、およびデータ駆動型手法を用いて評価され、妥当性が保証された。
• イベント再構築、選別、フィットには、検出器応答の完全なシミュレーションを含むbasf2ソフトウェアフレームワークが使用された。
• CP非対称性は、$A_{\rm CP} = (N_{\rm B} - N_{\rm \bar{B}})/(N_{\rm B} + N_{\rm \bar{B}})$として計算され、ここで$N_{\rm B}$および$N_{\rm \bar{B}}$は$B$および$\bar{B}$崩壊のyieldを表す。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 $B^0 \to K^+\pi^-$、$B^+ \to K^+\pi^0$、$B^+ \to \bar{K}^0\pi^+$、$B^0 \to \bar{K}^0\pi^0$、$B^+ \to \pi^+\pi^0$、および$B^0 \to \pi^+\pi^-$崩壊の正確な分岐率および直接CP非対称性は何か？
• RQ2 測定されたアイソスピン和分CP非対称性は、標準模型予測のゼロとどの程度整合しているか？
• RQ3 CP非対称性和則測定の精度は、$B$崩壊における新物理寄与を制限できるか？
• RQ4 非因子化可能QCD振幅と理論的不確実性の文脈において、観測されたCP非対称性の有意性は何か？

主な発見

• 測定されたアイソスピン和分直接CP非対称性は$-0.03 \pm 0.13 \pm 0.04$であり、標準模型予測のゼロと整合している。
• 和則測定の精度は、既存の最高水準の決定と同等であり、Belle IIの高品質なデータの優位性を示している。
• 信号yieldは1チャンネルあたり500～3900崩壊の範囲にあり、高精度測定に十分な統計的サンプルサイズであることが示された。
• $B \to K\pi$および$B \to \pi\pi$崩壊の分岐率とCP非対称性は、統計的および系統的不確実性が改善された形で報告された。
• アイソスピン対称性とCP違反の文脈において、データが標準模型と整合していることが確認された。
• 結果は、非レプトン的$B$崩壊に対する厳密なテストを提供し、標準模型を超える新物理の寄与を制限する。