[論文レビュー] Time dependent measurements of the CKM angle Gamma at LHCb

V. V. Gligorov|arXiv (Cornell University)|Jan 6, 2011

Particle physics theoretical and experimental studies参考文献 2被引用数 3

ひとこと要約

この論文は、LHCbで$B^0_s \to D^\pm_s K^\mp$崩壊モードにおける時間に依存するCP対称性の破れの最初の実験的探査を提示している。$B^0_s$系の大きな$\Delta\Gamma_s$と$x_s \approx 0.4$を活用することで、理論的曖昧性が低減され、CKM角$\gamma$の明確で高精度な測定が可能になる。初期データではシミュレーションの予想とほぼ同等の性能を示しており、$\gamma$の明確な決定可能性が確認されたが、2011年データ（約1 fb$^{-1}$）では、追加のモードの組み込みや効率の向上がなければ、決定的な結果を得ることはできない。

ABSTRACT

The startup of the LHC opens many new frontiers in precision flavour physics, in particular expanding the field of precision time-dependent CP violation measurements to the $B^0_s$ system. This contribution reviews the status of time-dependent measurements of the CKM angle $γ$ at the LHC's dedicated flavour physics experiment, LHCb. Particular attention is given to the measurement of $γ$ from the decay mode \DsK, a theoretically clean and precise method which is unique to LHCb. The performance of the LHCb detector for this and related modes is reviewed in light of early data taking and found to be close to the nominal simulation performance, and the outlook for these measurements in 2011 is briefly touched on.

研究の動機と目的

• LHCbにおける$B^0_s \to D^\pm_s K^\mp$崩壊モードにおける時間に依存するCP非対称性を用いたCKM角$\gamma$の測定可能性を確立すること。
• 2010年初期データを用いて、LHCb検出器が$B^0_s$崩壊を再構成し、$B^0_s$の振動を解明する性能を評価すること。
• $\Delta\Gamma_s$と$x_s$が$B^0_d$モードと比較して$\gamma$抽出における理論的曖昧性をどの程度低減するかを評価すること。
• 2011年のデータ（約1 fb$^{-1}$）が、統計的に有意かつ曖昧性のない$\gamma$の測定を可能にするかを判断すること。
• 初期LHC運用状況における最適性能を阻害する要因（例：トリガ効率、イベント多重度）を特定すること。

提案手法

• 時間に依存するCP非対称性の形式的枠組みを$B^0_q \to D_q \bar{u}_q$（$q = s$）に適用し、$\Delta M_s$、$\Delta\Gamma_s$、$x_s$を観測量として組み込む。
• 理論的枠組みとして$\xi_s = -e^{-i(\phi_s + \gamma)} / (x_s e^{i\delta_s})$を用い、$\gamma$を測定可能なCP非対称性と関連付ける。
• $B^0_s \to D^\pm_s K^\mp$と$B^0_s \to D^-_s \pi^+$の同時フィットを用いて、$\Delta m_s$、$x_s$、$\gamma$を直接抽出し、SU(3)依存性を低減する。
• モンテカルロシミュレーションを用いて、再構成効率、純度、正確な時間分解能などの検出器性能を予測する。
• 低統計時における曖昧性構造とバイアスを評価するため、$\gamma$-$\delta_s$平面における尤度分布を分析する。
• 2010年初期データを用いて、オフライン選別性能とフレーバー・タギング効率をMC予想と比較する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 $B^0_s \to D^\pm_s K^\mp$崩壊モードが、$\Delta\Gamma_s$の増大と$x_s \approx 0.4$のおかげで理論的に明確かつ高精度に$\gamma$を測定可能であるか。
• RQ2 時間に依存するCP非対称性の式における双曲線項が、$B^0_d$モードと比較して$\gamma$抽出における曖昧性をどの程度低減するか。
• RQ3 特にトリガ効率とイベント多重度に注目した場合、LHCb検出器の初期データにおける$B^0_s$再構成性能がMC予想と一致するか。
• RQ4 2011年データ（約1 fb$^{-1}$）が、$B^0_s \to D^\pm_s K^\mp$からの$\gamma$の曖昧性のない測定を可能にするか。
• RQ5 関連モード（例：$B^0_s \to D^-_s \pi^+$）と組み合わせたフィットが、低統計時における重複解の解消とバイアス低減に果たす役割は何か。

主な発見

• $B^0_s \to D^-_s \pi^+$のオフライン選別効率と純度は、MC予想の20％以内に収まっており、高積み重ねと低バッチ入射率のため、全体の収量は予想の約2倍低かった。
• 正確な時間分解能は約50 fsであり、MC予想の40 fsに近く、良好な時間性能を示している。
• 相対側タギングでは、名目MC予想の約60％の性能を示しており、同側タギングはまだ評価中である。
• $B^0_s \to D^\pm_s K^\mp$モードでは、$\Delta\Gamma_s \neq 0$および$x_s \approx 0.4$のおかげで、$B^0_d$モードの8重の曖昧性から2重の曖昧性にまで低減される。
• 2011年（約1 fb$^{-1}$）では、$B^0_s \to D^\pm_s K^\mp$のイベント数は約2,100件にとどまり、曖昧性のない$\gamma$測定には不十分であり、低統計のシミュレーションで顕著なバイアスが観測された。
• 2011年における正確で曖昧性のない$\gamma$測定には、少なくとも約4,000件の信号イベントが必要であると推定され、トリガ効率の向上または抑制された$D_s$崩壊の組み込みが不可欠であることが示された。