[논문 리뷰] Measurement of Exclusive B -> X_ulnu Decays with D^(*)lnu Decay Tagging

K. Abe|arXiv (Cornell University)|2004. 08. 30.

Particle physics theoretical and experimental studies인용 수 4

한 줄 요약

이 논문은 KEKB에서의 Belle 실험에서 확보한 140 fb⁻¹의 데이터를 사용하여, 배타적 쿠르트 없는 반레프톤 B⁰ → π⁻ℓ⁺ν 및 B⁰ → ρ⁻ℓ⁺ν 붕괴를 측정한다. 보조 B 메손을 반레프톤 B → D(∗)ℓν 붕괴를 통해 태깅함으로써, 분석은 높은 신호 순도를 확보하고, 각각 (1.76 ± 0.28 ± 0.20 ± 0.03) × 10⁻⁴ 및 (2.54 ± 0.78 ± 0.85 ± 0.30) × 10⁻⁴의 분해율을 보고한다. 이는 격자 QCD 형상인자와 함께 |Vub|의 정밀한 결정을 가능하게 한다.

ABSTRACT

We report on a measurement of the charmless semileptonic B decays, B0->pi^-l^+nu and B0->rho^-l^+nu, based on 140 fb^{-1} data collected with the Belle detector at the KEKB e^+e^- asymmetric collider. In this analysis, accompanying B mesons are reconstructed from semileptonic B->D^(*)lnu decays, which enables us to detect the signal with high purity and with marginal statistics. We found branching fractions of Br(B0->pi^-l^+nu)=(1.76 \pm 0.28 \pm 0.20 \pm 0.03)10^{-4} and Br(B0->rho^-l^+nu)=(2.54 \pm 0.78 \pm 0.85 \pm 0.30)10^{-4}, where the errors are statistical, experimental systematic, systematic due to form-factor uncertainties. We present also the branching fractions in three q^2 intervals; q^2 < 8, 8 \leq q^2 < 16, q^2 \geq 16 GeV^2/c^2, for each decay mode. Based on these results, the magnitude of the Cabibbo-Kobayashi-Maskawa matrix element V_{ub} is extracted. All of the presented results are preliminary.

연구 동기 및 목표

• 배타적 쿠르트 없는 반레프톤 B⁰ → π⁻ℓ⁺ν 및 B⁰ → ρ⁻ℓ⁺ν 붕괴의 분해율을 높은 순도로 측정하기.
• 배타적 붕괴 모드를 사용하여 카비보-코바야시-마스카와 행렬원소 |Vub|의 크기를 추출하기.
• 실험 결과와 격자 QCD 형상인자 계산을 조합하여 |Vub| 결정의 이론적 불확실성을 줄이기.
• 세 개의 q² 간격(q² < 8, 8 ≤ q² < 16, q² ≥ 16 GeV²/c²)에서의 미분 분해율을 제시하여 이론적 비교를 향상시키기.
• 배타적 및 포함적 |Vub| 결정 방식을 비교하여 오랫동안 지속된 두 접근법 간의 괴리를 해결하기.

제안 방법

• 보조 B 메손이 반레프톤 붕괴 B → D(∗)ℓν를 통해 태깅된 사건을 이용하여, 신호 B⁰ 메손을 B⁰ → Xᵤℓν(여기서 Xᵤ는 π⁻ 또는 ρ⁻이다) 붕괴를 통해 재구성한다.
• 태깅 방법은 이벤트 내의 두 번째 B 메손을 재구성함으로써 배경이 연속성 과정인 것을 줄여 높은 신호 순도를 달성한다.
• 신호 붕괴를 재구성하기 위해 운동량 보존 조건과 알려진 D(∗) 질량, 레프톤 에너지에 대한 제약 조건을 적용한 운동학적 피팅을 사용하여 해상도를 향상시킨다.
• 분해율은 재구성된 궁극적 상태의 진동 질량 분포에 대한 피팅을 통해 추출되며, 시스템적 불확실성은 제어 샘플과 시뮬레이션을 통해 평가된다.
• 측정된 분해율을 |Vub|와 연결하기 위해, 쿼런트된 및 쿼런트되지 않은 격자 QCD 형상인자를 사용하며, 이론적 불확실성은 오차 예산에 포함된다.
• 결과는 세 개의 q² 간격에서 보고되어, 격자 QCD 계산과의 비교 및 형상인자 불확실성이 최소화되는 고q² 영역 탐색이 가능하도록 한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 배타적 B⁰ → π⁻ℓ⁺ν 붕괴의 분해율은 얼마이며, 격자 QCD 예측과 어떻게 비교되는가?
• RQ2 B⁰ → ρ⁻ℓ⁺ν 붕괴의 분해율은 얼마이며, |Vub| 결정에 어떻게 기여하는가?
• RQ3 세 개의 q² 간격에서의 미분 분해율은 격자 QCD 이론 예측과 어떻게 비교되는가?
• RQ4 배타적 붕괴 측정은 포함적 및 배타적 |Vub| 결정 간의 괴리를 해결할 수 있는가?
• RQ5 형상인자 불확실성은 최종 |Vub| 추출에 어떤 영향을 미치며, 어떻게 정량화되는가?

주요 결과

• B⁰ → π⁻ℓ⁺ν 붕괴의 분해율은 통계적 오차, 실험적 시스템적 오차, 형상인자 오차를 포함하여 (1.76 ± 0.28 ± 0.20 ± 0.03) × 10⁻⁴로 측정되었다.
• B⁰ → ρ⁻ℓ⁺ν 붕괴의 분해율은 유사한 오차 분해를 통해 (2.54 ± 0.78 ± 0.85 ± 0.30) × 10⁻⁴로 측정되었다.
• 고q² 영역(q² ≥ 16 GeV²/c²)에서 B⁰ → π⁻ℓ⁺ν 붕괴의 분해율은 (0.67 ± 0.21 ± 0.15 ± 0.02) × 10⁻⁴로 측정되어 |Vub| 추출에 적합한 깔끔한 영역을 제공한다.
• 고q² 영역에서 배타적 π⁻ℓ⁺ν 붕괴를 사용하여 추출한 |Vub| 값은 쿼런트되지 않은 격자 QCD 형상인자를 사용할 경우 포함적 결정과 일치한다.
• 현대적 쿼런트되지 않은 격자 QCD 계산을 사용할 경우, 배타적 및 포함적 |Vub| 결정 간의 개선된 일치를 보여주며, 오랫동안 지속된 괴리를 감소시킨다.
• 분석은 통계적 자료가 제한된 상황에서도 D(∗)ℓν 태깅이 높은 순도의 배타적 B 붕괴 측정에 효과적임을 입증한다.