[논문 리뷰] Measurement of Ds+ to mu+ nu and the Decay constant f_Ds

M. Artuso, Collaboration, CLEO|ArXiv.org|2006. 07. 26.

Particle physics theoretical and experimental studies참고 문헌 6인용 수 3

한 줄 요약

이 논문은 CLEO-c 검출기로 $\sqrt{s} = 4.17$ GeV에서의 $e^+e^-$ 충돌을 통해 $D_s^+ \to \mu^+ \nu$ 및 $D_s^+ \to \tau^+ \nu$ 붕괴를 이용하여 $f_{D_s^+}$의 가장 정밀한 측정치를 제시한다. 측정된 $f_{D_s^+} = 282 \pm 16 \pm 7$ MeV와 비율 $f_{D_s^+}/f_{D^+} = 1.27 \pm 0.12 \pm 0.03$는 라티스 QCD 예측과 일치하며, 이전 결과에 비해 $\mathcal{B}(D_s^+ \to \phi\pi^+)$에 대한 정규화 의존성을 제거함으로써 정밀도가 향상되었다.

ABSTRACT

We examine e+e- to Ds- Ds*+ or Ds-* Ds+ collisions at 4170 MeV using the CLEO-c detector in order to measure the decay constant f_Ds+. We use the Ds+ to ell+ nu channel, where the ell+ designates either a mu+ or a tau+. Analyzing both modes simultaneously, we determine B(D_s^+ to mu+ nu)= (0.657 +- 0.090 +- 0.028)%, B(D_s^+ to tau+ nu)= (7.1 +- 1.4 +- 0.3)%, and extract f_Ds+ = 282 +- 16 +- 7 MeV. Combining with our previous determination of B(D+ to mu+ nu), we find that the ratio f_Ds+/f_D+ = 1.27 +- 0.12 +- 0.03. (All new results here are preliminary.) We compare with current theoretical estimates.

연구 동기 및 목표

• 고정밀도로 $D_s^+$ 레플론성 붕괴 분율 $\mathcal{B}(D_s^+ \to \mu^+\nu)$ 및 $\mathcal{B}(D_s^+ \to \tau^+\nu)$를 측정하기 위해.
• 이전에 큰 시스템적 불확실성을 유발했던 $\mathcal{B}(D_s^+ \to \phi\pi^+)$에 대한 정규화 모드에 의존하지 않고 $f_{D_s^+}$를 추출하기 위해.
• Cabibbo-Kobayashi-Maskawa 행렬 원소 비율 $|V_{cd}/V_{cs}|$의 이론적 예측을 테스트하기 위해 $f_{D_s^+}/f_{D^+}$ 비율을 결정하기 위해.
• 측정된 $f_{D_s^+}$ 및 $f_{D_s^+}/f_{D^+}$를 현재의 라티스 QCD 및 기타 이론 모델과 비교하기 위해.

제안 방법

• 분석은 $\sqrt{s} = 4.17$ GeV에서의 $e^+e^-$ 충돌을 이용하여 $e^+e^- \to D_s^-D_s^{*+}$를 통해 $D_s^+D_s^{*+}$ 또는 $D_s^{*-}D_s^+$ 최종 상태를 생성한다.
• 충전 레프톤($\mu^+$, $\tau^+$)은 $D_s^+ \to \ell^+ \nu$ 붕괴에서 재구성되며, $\tau$ 식별을 위해 $\tau^+ \to \pi^+ \bar{\nu}$가 사용된다.
• 붕괴율 공식 $\Gamma(D_s^+ \to \ell^+ \nu) = \frac{G_F^2}{8\pi} f_{D_s^+}^2 m_\ell^2 M_{D_s^+} \left(1 - \frac{m_\ell^2}{M_{D_s^+}^2}\right)^2 |V_{cs}|^2$를 사용하여 측정된 분율에서 $f_{D_s^+}$를 추출한다.
• 외부 정규화 모드에 대한 의존성을 줄이기 위해 $\mu^+\nu$ 및 $\tau^+\nu$ 모드를 동시에 분석함으로써 시스템적 불확실성을 최소화한다.
• 측정된 $f_{D^+}$에 대한 CLEO-c의 이전 측정치와 조합하여 $f_{D_s^+}/f_{D^+}$ 비율을 추출함으로써 일부 시스템적 오차가 상쇄된다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 정밀한 $D_s^+$ 붕괴 상수 $f_{D_s^+}$의 값은 무엇이며, 라티스 QCD 예측과 어떻게 비교되는가?
• RQ2 $f_{D_s^+}/f_{D^+}$ 비율은 무엇이며, $|V_{cd}/V_{cs}|$의 이론적 기대치와 일치하는가?
• RQ3 $\mathcal{B}(D_s^+ \to \phi\pi^+)$에 대한 정규화를 피하는 것으로 $D_s^+ \to \mu^+\nu$ 및 $D_s^+ \to \tau^+\nu$ 붕괴 분율을 시스템적 오차를 줄여 측정할 수 있는가?
• RQ4 측정된 붕괴 분율과 $f_{D_s^+}$는 이전 실험 결과 및 이론 모델과 어떻게 비교되는가?

주요 결과

• $D_s^+ \to \mu^+\nu$의 측정된 붕괴 분율은 $\mathcal{B}(D_s^+ \to \mu^+\nu) = (0.657 \pm 0.090 \pm 0.028)\%$이며, 통합 불확실도는 $\pm 0.095\%$이다.
• $D_s^+ \to \tau^+\nu$의 붕괴 분율은 $\mathcal{B}(D_s^+ \to \tau^+\nu) = (7.1 \pm 1.4 \pm 0.3)\%$이며, $\Gamma(\tau^+\nu)/\Gamma(\mu^+\nu) \approx 9.72$의 기대 비율과 일치한다.
• $D_s^+$ 붕괴 상수는 $f_{D_s^+} = 282 \pm 16 \pm 7$ MeV로 결정되었으며, 이는 지금까지 가장 정밀한 측정치이다.
• $f_{D_s^+}/f_{D^+} = 1.27 \pm 0.12 \pm 0.03$ 비율이 추출되었으며, $D_s^+$ 및 $D^+$ 측정치 간의 상쇄로 인해 시스템적 불확실성이 크게 감소하였다.
• 결과는 라티스 QCD 예측과 일치하며, 특히 MILC의 $n_f = 2+1$ 플레이버 계산($f_{D_s^+}/f_{D^+} = 1.24 \pm 0.01 \pm 0.07$)과 잘 맞고, 대부분의 다른 이론적 추정치보다 높다.
• 라티스 QCD 예측 $f_{D_s^+}/f_{D^+} = 1.24 \pm 0.01 \pm 0.07$를 사용하여 비율 $|V_{cd}/V_{cs}|$는 $0.22 \pm 0.03$로 유도되었으며, 이는 표준 모형과 일치한다.