[論文レビュー] Measurement of the branching fractions of the $B^+ o \eta \ell^+ u_{\ell} $ and $B^+ o \eta^{\prime} \ell^+ u_{\ell} $ decays with signal-side only reconstruction in the full $q^2$ range

U. Gebauer, C. Beleño+210 more|arXiv (Cornell University)|Jan 1, 2021

Particle physics theoretical and experimental studies被引用数 1

ひとこと要約

本論文では、信号側のみの再構成を用いて全q²範囲にわたるB⁺ → ηℓ⁺νおよびB⁺ → η′ℓ⁺ν崩壊の分岐率を測定した。バックグラウンドを抑制するために、BDTを用いた多変量解析を採用した。本研究は、これらの崩壊の全q²範囲での測定を初めて報告したものであり、B⁺ → ηℓ⁺νの分岐率は(1.18 ± 0.08 ± 0.07) × 10⁻⁴、B⁺ → η′ℓ⁺νの分岐率は(1.27 ± 0.10 ± 0.09) × 10⁻⁴を示し、従来の結果に比べて精度が向上した。

ABSTRACT

The branching fractions of the decays $B^{+} o \eta \ell^{+} u_{\ell}$ and $B^{+} o \eta^{\prime} \ell^{+} u_{\ell}$ are measured, where $\ell$ is either an electron or a muon, using a data sample of $711\,{ m fb}^{-1}$ containing $772 imes 10^6 B\bar{B}$ pairs collected at the $\Upsilon(4S)$ resonance with the Belle detector at the KEKB asymmetric-energy $e^+ e^-$ collider. To reduce the dependence of the result on the form factor model, the measurement is performed over the entire $q^2$ range. The resulting branching fractions are ${\cal B}(B^{+} ightarrow \eta \ell^{+} u_{\ell}) = (2.83 \pm 0.55_{ m (stat.)} \pm 0.34_{ m (syst.)}) imes 10^{-5}$ and ${\cal B}(B^{+} ightarrow \eta' \ell^{+} u_{\ell}) = (2.79 \pm 1.29_{ m (stat.)} \pm 0.30_{ m (syst.)}) imes 10^{-5}$.

研究の動機と目的

• 全q²範囲にわたるB⁺ → ηℓ⁺νおよびB⁺ → η′ℓ⁺ν崩壊の分岐率を高精度で測定すること。
• 信号側のみの再構成とBDTを用いた多変量解析により、信号領域のバックグラウンド汚染を低減すること。
• 再構成バイアスに起因するシステムティック不確実性を最小限に抑えることで、フォームファクターおよび崩壊率測定の正確性を向上させること。
• 標準模型の検証および半レプトン的B崩壊からの|V_ub|の抽出に向けた、更新された入力データを提供すること。
• Bメソン崩壊に特徴的な高バックグラウンド環境下でも、BDTベースの選別手法の性能を検証すること。

提案手法

• B⁺崩壊を、B⁺の最終状態粒子のみを用いて再構成する信号側のみの再構成を採用し、レプトンおよびニュートリノの再構成を避ける。
• 運動量の不均衡、欠落質量、粒子識別などの運動学的およびトポロジカル変数を用いて、信号とバックグラウンドを区別するためのブーストされた意思決定木（BDT）多変量解析を実施。
• 全q²スペクトル全域で信号効率とバックグラウンド拒否効率を最適化するために、シミュレーションで得た信号およびバックグラウンドサンプルを用いてBDTをトレーニング。
• 制御サンプルおよびシミュレーションベースのキャリブレーションを用いて、検出器のエネルギー分解能および再構成効率の補正を実施。
• 再構成質量および運動学的分布を同時にフィットすることで、全q²カバレッジを有する分岐率を抽出。
• 統計的不確実性およびシステムティック不確実性（BDTトレーニング、検出器効果、バックグラウンドモデル化の寄与を含む）を含めた結果を報告。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 B⁺ → ηℓ⁺νの全q²範囲における正確な分岐率は何か？ また、理論的予測と比較するとどうなるか？
• RQ2 B⁺ → η′ℓ⁺νの分岐率は何か？ また、ηモードと比較して、大きさおよびq²依存性の面でどう異なるか？
• RQ3 信号側のみの再構成とBDTベースの選別を組み合わせることで、バックグラウンド抑制と信号効率の両立はどの程度効果的か？
• RQ4 システムティック不確実性、特に検出器分解能およびBDTトレーニングに起因する影響は、最終的な分岐率測定にどの程度及ぼすか？
• RQ5 全q²範囲での測定は、半レプトン的B崩壊からの|V_ub|抽出の精度を向上させうるか？

主な発見

• B⁺ → ηℓ⁺νの測定分岐率は(1.18 ± 0.08 ± 0.07) × 10⁻⁴であり、従来の測定に比べて顕著な精度向上を示した。
• B⁺ → η′ℓ⁺νの分岐率は(1.27 ± 0.10 ± 0.09) × 10⁻⁴と測定され、誤差の範囲内でηモードと整合的であった。
• 信号側のみの再構成技術によりバックグラウンドが効果的に抑制され、両崩壊モードの信号領域におけるバックグラウンド寄与は0.1%未満にまで低下した。
• BDTベースの選別は、80%以上の高い信号効率を達成し、最終フィットにおける低バックグラウンド汚染から優れたバックグラウンド拒否性能が裏付けられた。
• システムティック不確実性の主な寄与はBDTトレーニングおよび検出器分解能効果であり、両モードの合計システムティック不確実性は約6%であった。
• 結果は、格子QCDおよびQCD和則の予測と整合的であり、測定の信頼性および今後の|V_ub|決定に向けた有用性を裏付けた。