[논문 리뷰] Determination of $|V_{cb}|$ using $\overline{B}^0 o D^{*+}\ell^-\bar u_\ell$ decays with Belle II

I. Adachi, K. Adamczyk외 417명|arXiv (Cornell University)|2023. 01. 01.

Particle physics theoretical and experimental studies참고 문헌 45인용 수 1

한 줄 요약

이 논문은 벨레 II 실험에서 확보한 189 fb⁻¹의 e⁺e⁻ 충돌 데이터를 사용하여 B⁰ → D*⁺ℓ⁻ν̄ℓ 붕괴를 분석함으로써 카비브코바야시마스카와 행렬 원소 |Vcb|의 정밀도를 결정한다. BGL 및 CLN 매개변수화 방법을 사용하고 라티스 QCD 입력을 통합하여 각각 |Vcb| = (40.57 ± 0.31 ± 0.95 ± 0.58)×10⁻³ 및 (40.13 ± 0.27 ± 0.93 ± 0.58)×10⁻³을 보고하며, 모든 부분 붕괴율 측정은 궤도 운동량과 관련된 부분과 각도에 따라 완전히 고려된 것으로, 렙톤의 종류 간 유니버설리티와 일관된다.

ABSTRACT

We determine the CKM matrix-element magnitude $|V_{cb}|$ using $\overline{B}^0 o D^{*+}\ell^-\bar u_\ell$ decays reconstructed in $189 \, \mathrm{fb}^{-1}$ of collision data collected by the Belle II experiment, located at the SuperKEKB $e^+e^-$ collider. Partial decay rates are reported as functions of the recoil parameter $w$ and three decay angles separately for electron and muon final states. We obtain $|V_{cb}|$ using the Boyd-Grinstein-Lebed and Caprini-Lellouch-Neubert parametrizations, and find $|V_{cb}|_\mathrm{BGL}=(40.57\pm 0.31 \pm 0.95\pm 0.58) imes 10^{-3}$ and $|V_{cb}|_\mathrm{CLN}=(40.13 \pm 0.27 \pm 0.93\pm 0.58 ) imes 10^{-3}$ with the uncertainties denoting statistical components, systematic components, and components from the lattice QCD input, respectively. The branching fraction is measured to be ${\cal B}(\overline{B}^0 o D^{*+}\ell^-\bar u_\ell)=(4.922 \pm 0.023 \pm 0.220)\%$. The ratio of branching fractions for electron and muon final states is found to be $0.998 \pm 0.009 \pm 0.020$. In addition, we determine the forward-backward angular asymmetry and the $D^{*+}$ longitudinal polarization fractions. All results are compatible with lepton-flavor universality in the Standard Model.

연구 동기 및 목표

• 벨레 II에서의 반입자형 B⁰ → D*⁺ℓ⁻ν̄ℓ 붕괴를 이용하여 |Vcb|를 고정밀도로 결정하는 것.
• 전자 및 뮤온 최종 상태에 대해 궤도 운동량 매개변수 w와 붕괴 각도(θℓ, θK, φ)에 따른 부분 붕괴율을 측정하는 것.
• 전자 및 뮤온 최종 상태의 분해율을 비교함으로써 렙톤 종류 간 유니버설리티를 검증하는 것.
• FNAL/MILC 라티스 QCD 결과를 제약 조건으로 삼아 BGL 및 CLN 매개변수화 방법을 사용하여 형상 인자 매개변수를 추출하는 것.
• 검출기 효과, 배경 모델링, 라티스 QCD 입력 등에 기인한 체계적 불확도를 평가하는 것.

제안 방법

• 벨레 II 실험에서 슈퍼케이브 콜라이더에서 수집한 189 fb⁻¹의 e⁺e⁻ 충돌 데이터를 사용한다.
• D*⁺ 및 렙톤의 완전한 운동량 재구성과 함께 B⁰ → D*⁺ℓ⁻ν̄ℓ 붕괴를 재구성한다.
• 전자 및 뮤온 최종 상태에 대해 궤도 운동량 매개변수 w와 세 개의 붕괴 각도(θℓ, θK, φ)에 따른 부분 붕괴율을 측정한다.
• 형상 인자를 모델링하기 위해 BGL 및 CLN 매개변수화 방법을 적용하고, hA1(w), R1(w), R2(w)에 대한 FNAL/MILC 라티스 QCD 결과를 제약 조건으로 삼는다.
• 형상 인자 매개변수화의 최적 확장 차수를 결정하기 위해 중첩된 가설 검증을 수행한다.
• 데이터와 라티스 입력을 동시에 피팅하여 χ²를 최소화함으로써 |Vcb|를 통계적, 체계적, 라티스 QCD 불확도를 포함하여 추출한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 완전한 각도 및 궤도 운동량 의존성을 고려한 벨레 II 데이터를 바탕으로 B⁰ → D*⁺ℓ⁻ν̄ℓ 붕괴를 통해 추출된 |Vcb|의 정밀한 값은 무엇인가?
• RQ2 라티스 QCD 입력을 제약 조건으로 삼을 때 BGL 및 CLN 매개변수화 방법이 형상 인자를 기술하는 데 어떻게 비교되는가?
• RQ3 전자 및 뮤온 최종 상태에 대한 분해율 비율 측정치는 표준모형의 렙톤 종류 간 유니버설리티와 일치하는가?
• RQ4 FNAL/MILC 라티스 QCD 예측을 hA1(w), R1(w), R2(w)에 포함할 경우 최적의 형상 인자 전개 차수는 무엇인가?
• RQ5 라티스 입력을 포함할 경우 추출된 형상 인자 매개변수와 그 상관관계는 어떻게 변화하는가?

주요 결과

• BGL 매개변수화를 사용하여 |Vcb|는 통계적, 체계적, 라티스 QCD 입력 불확도를 고려해 (40.57 ± 0.31 ± 0.95 ± 0.58)×10⁻³로 결정되었다.
• CLN 매개변수화에서는 |Vcb| = (40.13 ± 0.27 ± 0.93 ± 0.58)×10⁻³로 도출되었으며, 불확도 범위 내에서 BGL 결과와 일치한다.
• B⁰ → D*⁺ℓ⁻ν̄ℓ 붕괴의 분해율은 (4.922 ± 0.023 ± 0.220)%로 측정되었다.
• 전자 및 뮤온 최종 상태의 분해율 비율은 0.998 ± 0.009 ± 0.020로 측정되어 렙톤 종류 간 유니버설리티와 일치한다.
• FNAL/MILC 라티스 QCD 예측을 hA1(w), R1(w), R2(w)에 포함할 경우, 수용 가능한 χ²를 확보하기 위해 BGL 전개의 차수를 높여야 하며, 이에 따라 na=1, nb=3, nc=2로 설정되었고, |Vcb| = 39.7 ± 1.1×10⁻³로 도출되었다.
• 완전한 불확도 전파를 고려한 형상 인자 매개변수와 그 상관관계가 제공되었으며, 향후 라티스 QCD 및 글로벌 피팅과의 비교에 유용하다.