[論文レビュー] Semitauonic B decays at Belle/Belle II

K. Adamczyk|arXiv (Cornell University)|Jan 18, 2019

Particle physics theoretical and experimental studies被引用数 12

ひとこと要約

本論文は、Belle実験が収集した7億7200万個の$B\bar{B}$ペアを用いて、$B^0 \to D^{*-} \tau^+ \nu_\tau$崩壊における$D^{*}$の極化の初回測定を提示する。縦極化分率$F_L^{D^*} = 0.60 \pm 0.08$（統計）$\pm 0.04$（系誤差）は、標準模型と整合的であるが、将来のBelle IIデータにより、$R(D^{(*)})$、$P_\tau^{D^*}$、$F_L^{D^*}$の精度が著しく向上し、半タウロン的$B$崩壊における新しい物理を探る手がかりが得られる。

ABSTRACT

It is experimentally observed that ratios of branching fractions for semitauonic and semileptonic $B$ decays, known as the $R(D^{(*)})$, are higher than Standard Model (SM) predictions. The $B o \bar{D}^{(*)} τ^{+} ν_τ$ decays, except for the branching fractions, offer also other observables, in particular, angular observables may determine spin structure of a potential New Physics (NP) providing some clues to explain the $R(D^{(*)})$ puzzle. In this review, polarization measurements in $B o \bar{D}^{*} τ^{+} ν_τ$ decays at Belle are presented and prospects for measurements of characteristics of semitauonic $B$ decays at Belle/Belle II are described.

研究の動機と目的

• 標準模型を超える新しい物理を探るため、$B^0 \to D^{*-} \tau^+ \nu_\tau$崩壊における$D^{*}$極化分率$F_L^{D^*}$を測定すること。
• 長年の$R(D^{(*)})$異常に対処すること。この異常とは、測定されたBr比が標準模型の予測を2.3–3.0標準偏差分上回っていることである。
• 高度な再構成技術と将来のBelle IIデータを用いて、$R(D)$および$R(D^*)$の精度を向上させること。
• レプトンおよびベクトルメソンの極化といった、微分分布および角度観測量を調べることで、新しい物理モデルを区別すること。
• 高統計のBelle IIデータを用いて、$R(D)$、$R(D^*)$、$R(D^{**})$を同時に決定することで、系統誤差を低減すること。

提案手法

• 高い純度と完全な運動量再構成を達成するため、完全再構成タギング（FR）を用い、排出的$B$崩壊モードを用いた$B_{\text{tag}}$の再構成を行った。
• BASF2ソフトウェアフレームワークを用い、ブーストされた意思決定木（BDT）分類器を用いた多変量解析により、信号効率の向上とバックグラウンド抑制を実現した。
• $D^{*}$の極化は、$D^{*}$静止系における$D$メソンの運動量と$B$の方向のなす角、すなわちヘリシティ角$\theta_{\text{hel}}^{D^*}$を用いて再構成した。
• $\tau \to \pi \nu_\tau$崩壊の$\tau$の極化は、$\tau$静止系におけるヘリシティ角$\theta_{\text{hel}}^{\tau}$を用いて測定した。
• 特に$F_L^{D^*}$の決定において信号効率を向上させるために、$B_{\text{tag}}$のインクルーシブ再構成を適用した。
• 5 ab$^{-1}$および50 ab$^{-1}$のBelle IIデータを想定し、将来の精度を予測した。統計誤差および系統誤差は表1に定量的に示した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 $B^0 \to D^{*-} \tau^+ \nu_\tau$崩壊における測定された縦極化分率$F_L^{D^*}$は何か？ また、これは標準模型の予測とどのように比較されるか？
• RQ2 $R(D^{(*)})$の異常は新しい物理によって説明可能か？ また、極化観測量はこのようなモデルを区別する上でどのような役割を果たすか？
• RQ3 Belle IIにおける光度の増加と再構成効率の向上により、$R(D^{(*)})$、$P_\tau^{D^*}$、$F_L^{D^*}$の精度はどのように向上するか？
• RQ4 $R(D^{(*)})$測定における主な系統誤差要因は何か？ そして、将来のデータと解析技術により、それらはどのように低減可能か？
• RQ5 $R(D)$、$R(D^*)$、$R(D^{**})$の同時測定は、半タウロン的$B$崩壊における新しい物理の寄与を区別するのに役立つだろうか？

主な発見

• $B^0 \to D^{*-} \tau^+ \nu_\tau$崩壊における$D^{*}$の縦極化分率は、$F_L^{D^*} = 0.60 \pm 0.08$（統計）$\pm 0.04$（系誤差）として測定され、標準模型の予測値$0.457 \pm 0.010$と整合的である。
• 測定された$F_L^{D^*}$値は、さまざまな標準模型推定値と比較して1.6–1.8標準偏差の範囲内にあり、現時点では標準模型からの顕著な逸脱は認められない。
• 50 ab$^{-1}$のデータを想定すると、Belle IIは$R(D)$の相対誤差を2%まで、$R(D^*)$を1%まで低減できると予想され、主に系統誤差が支配的である。
• 50 ab$^{-1}$のデータを用いた場合、$P_\tau^{D^*}$（タウの極化）の期待される精度は$\pm 0.06$（統計）$\pm 0.04$（系誤差）に達すると予想され、新しい物理モデルの精密な検証が可能になる。
• 50 ab$^{-1}$のデータを用いた場合、$F_L^{D^*}$の決定精度は、タギングおよび再構成性能がBelleと同程度であると仮定すると、$\pm 0.01$（統計）$\pm 0.04$（系誤差）に達すると予想される。
• $R(D^{(*)})$測定における主な系統誤差要因は、$D^{**}$成分の分岐比および中性粒子を伴う多ハドロン$B$崩壊の分岐比であり、将来のBelle IIデータによりこれらはより良く制約されるようになる。