[논문 리뷰] A model-independent measurement of the CKM angle $γ$ in partially reconstructed $B^{\pm} o D^{*} h^{\pm}$ decays with $D o K_{S}^{0} h^{+}h^{-}$ $(h=π, K)$

LHCb Collaboration, A. S. W. Abdelmotteleb외 1107명|arXiv (Cornell University)|2023. 01. 01.

Particle physics theoretical and experimental studies인용 수 1

한 줄 요약

이 논문은 부분적으로 재구성된 B± → D∗h± 붕괴에서 CKM 각 γ의 모델에 의존하지 않는 측정을 제시한다. 여기서 D∗→Dγ/π⁰ 붕괴의 생성입자는 재구성되지 않는다. √s = 7, 8, 13 TeV에서의 LHC pp 충돌 데이터 9 fb⁻¹과 BESIII 및 CLEO의 강한 위상 입력을 사용하여, 연구는 γ = (92⁺²¹₋₁₇)°로 보고한다. 통계적 불확도가 주요 기여 요소이며, B 붕괴에서의 CP 위반에 대한 새로운 제약 조건을 제공한다.

ABSTRACT

A measurement of $C\!P$-violating observables in $B^{\pm} o D^{*} K^{\pm}$ and $B^{\pm} o D^{*} π^{\pm}$ decays is made where the photon or neutral pion from the $D^{*} o Dγ$ or $D^{*} o Dπ^{0}$ decay is not reconstructed. The $D$ meson is reconstructed in the self-conjugate decay modes, $D o K_{S}^{0} π^{+} π^{-}$ or $D o K_{S}^{0} K^{+} K^{-}$. The distribution of signal yields in the $D$ decay phase space is analysed in a model-independent way. The measurement uses a data sample collected in proton-proton collisions at centre-of-mass energies of 7, 8, and 13 TeV, corresponding to a total integrated luminosity of approximately 9 fb$^{-1}$. The $B^{\pm} o D^{*} K^{\pm}$ and $B^{\pm} o D^{*} π^{\pm}$ $C\!P$-violating observables are interpreted in terms of hadronic parameters and the CKM angle $γ$, resulting in a measurement of $γ= (92^{+21}_{-17})^{\circ}$. The total uncertainty includes the statistical and systematic uncertainties, and the uncertainty due to external strong-phase inputs.

연구 동기 및 목표

• 암호화 모델에 의존하지 않는 방법을 사용하여 B± → D∗h± 붕괴에서 CKM 각 γ를 측정하는 것.
• 데이터로부터 직접 하드론적 매개변수를 측정하여 이론적 불확도를 줄이고, 비중간적 하드론 효과를 최소화하는 것.
• 부분적으로 재구성된 D∗ 메손을 사용하여 D → K₀Sπ⁺π⁻ 및 D → K₀SK⁺K⁻ 붕괴의 달리츠 플롯 분포를 분석함으로써 γ에 대한 제약 조건을 향상시키는 것.
• BESIII 및 CLEO 실험에서의 강한 위상 입력을 사용하여 시스템적 불확도를 신뢰성 있게 추정하는 것.
• 다중 해가 존재하는 γ 결정에서의 모순을 해결하는 데 기여하기 위해 이전의 LHCb 결과와 보완적인 측정을 제공하는 것.

제안 방법

• D∗→Dγ 또는 D∗→Dπ⁰에서 발생하는 광자 또는 중성 편자이온이 재구성되지 않는 부분적으로 재구성된 B± → D∗h± 붕괴를 활용하여 신호 효율을 높임.
• 신호 수확량을 D → K₀Sh⁺h⁻ 붕괴의 위상공간(Dalitz 플롯 박스)에서 분석함(s⁺ = m²(K₀Sh⁺), s⁻ = m²(K₀Sh⁻)), 0을 제외한 2×N 대칭 박스를 사용함.
• BESIII 및 CLEO 실험에서 측정된 양자상관 D⁰D̄⁰ 쌍을 통해 강한 위상 정보를 포함한 모델에 의존하지 않는 접근법을 적용함.
• 스핀-패리티 구조에 기반하여 불변 질량 조합 m(Dh)를 사용하여 D∗→Dγ 및 D∗→Dπ⁰ 붕괴를 구분함.
• B⁺ 및 B⁻ 붕괴의 달리츠 플롯 분포에 동시에 피팅하여 CP 위반 관측량 ξD∗h = (xD∗h, yD∗h)를 추출함. 이는 하드론적 매개변수 rB 및 δB를 통해 γ와 관련됨.
• 통계적 불확도, 실험적 시스템적 불확도, 외부 강한 위상 불확도를 조합하여 최종 γ 값의 전체 오차 예산을 결정함.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 암호화 모델에 의존하지 않고 부분적으로 재구성된 B± → D∗h± 붕괴에서 CKM 각 γ를 모델에 의존하지 않는 방식으로 측정할 수 있는가?
• RQ2 D∗ 붕괴 생성입자(γ 또는 π⁰)를 생략할 경우, 완전히 재구성된 분석과 비교해 γ 측정의 민감도와 배경 수준에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ3 BESIII 및 CLEO에서의 강한 위상 입력이 γ 측정에서 시스템적 불확도 추정의 신뢰성에 얼마나 기여하는가?
• RQ4 결과가 이전의 LHCb 측정 및 글로벌 CKM 피팅과 어떻게 비교되는가? 특히 다중 해로 인한 모순을 어떻게 해결하는가?
• RQ5 B± → Dρ±와 같은 배경 기여, 특히 D∗π± 붕괴의 rB 및 δB 매개변수 정밀도에 어떤 영향을 미치는가?

주요 결과

• 측정 결과로 γ = (92⁺²¹₋₁₇)°를 도출하였으며, 총 불확도는 통계적 변동에 의해 주로 결정됨.
• 부분 재구성으로 인한 높은 신호 효율 덕분에 이전 LHCb 분석에 비해 rD∗K_B의 불확도가 30% 감소함.
• D∗ 붕괴 생성입자를 재구성할 경우 억제되는 B± → Dρ± 배경이 주요 원인으로 작용하여 rD∗π_B의 불확도가 상당히 증가함(참고 문헌 [19]의 약 두 배).
• 68.3% 및 95.5% 신뢰수준에서의 γ에 대한 신뢰구간은 이전 LHCb 결과 및 글로벌 CKM 피팅과 일치하며, 유의미한 긴장이 없음.
• 이 측정은 γ와 관련된 하드론적 매개변수에 대해 새로운 독립적 제약 조건을 제공하며, 이전 분석에서의 다중 해로 인한 모순을 해결하는 데 기여함.
• BESIII 및 CLEO에서 직접 확보한 강한 위상 입력을 사용함으로써 모델에 의존하는 시스템적 불확도가 감소하여 γ 결정의 신뢰성이 향상됨.