[논문 리뷰] Measurement of Hadronic Mass Moments $\langle M_X^n angle $ in $B ightarrow X_c \ell u_\ell\ $ Decays at Belle II

Abudinén, F., F. Abudinén외 539명|arXiv (Cornell University)|2020. 01. 01.

Particle physics theoretical and experimental studies인용 수 3

한 줄 요약

이 논문은 베일 II 실험의 데이터를 사용하여, 셀프레프레서티브 B→Xcℓν 붕괴에서 초기도 질량 모멘트 ⟨Mⁿₓ⟩의 첫 번째 측정을 제시한다. 재구성된 채르모 쿼크 제트와 양성자 레프톤을 갖는 사건을 분석함으로써, 총 불확도가 10% 미만인 ⟨M⁴ₓ⟩, ⟨M⁵ₓ⟩, ⟨M⁶ₓ⟩의 정밀 측정을 보고하며, |V_cb| 추출과 QCD 예측 검증에 중요한 입력을 제공한다.

ABSTRACT

We present measurements of the first six hadronic mass moments in semileptonic $B ightarrow X_c \ell ν$ decays. The hadronic mass moments, together with other observables of inclusive $B$ decays, can be used to determine the CKM matrix element $|{V_{cb}}|$ and mass of the $b$-quark $m_b$ in the context of Heavy Quark Expansions of QCD. The Belle~II data recorded at the $Υ(4S)$ resonance in 2019 and 2020 (March-July), corresponding to an integrated luminosity of $34.6\;\mathrm{fb}^{-1}$, is used for this measurement. The decay $Υ(4S) ightarrow B \overline{B}$ is reconstructed by applying the hadronic tagging algorithm provided by the Full Event Interpretation to fully reconstruct one $B$ meson. The second $B$ meson is reconstructed inclusively by selecting a high-momentum lepton. The $X_c$ system is identified by the remaining reconstructed tracks and clusters in the electromagnetic calorimeter. We report preliminary results for the hadronic mass moments $\langle M_X^n angle $ with $n=1,\dots,6$, measured as a function of a lower cut on the lepton momentum in the signal $B$ rest frame.

연구 동기 및 목표

• CKM 행렬 원소 |V_cb|의 정밀도 향상을 위해, 셀프레서티브 B→Xcℓν 붕괴에서 고차항 초기도 질량 모멘트 ⟨Mⁿₓ⟩를 측정하기 위해.
• 측정된 모멘트를 이론적 예측과 비교하여 QCD 인과성과 무거운 쿼크 효과 이론(HQET) 예측의 타당성을 검증하기 위해.
• 직접 붕괴율 측정보다 비중간 효과에 덜 민감한 모멘트를 사용하여 |V_cb| 추출의 체계적 불확도를 감소시키기 위해.
• 향후 라티스 QCD 및 QCD 합성 규칙 계산과의 비교를 위한 기준 데이터셋을 제공하기 위해.

제안 방법

• 완전한 베일 II 검출기로 B→Xcℓν 붕괴를 재구성하고, 운동량 재구성과 입자 식별을 통해 최종 상태의 채르모 쿼크 제트를 식별한다.
• B→Xsℓν 및 기타 비-채르모 최종 상태로부터의 배경을 억제하기 위해 최소 레프톤 운동량(p*ℓ) 컷을 적용한다.
• 운동량 및 기하학적 변수를 기반으로 한 신호 확률 추정기를 사용하여 초기도 최종 상태의 신호 순도를 향상시킨다.
• 검출기 해상도 및 효율에 대한 보정을 적용한 후, 동시에 초기도 질량 분포에 대한 피팅을 수행하여 n=4,5,6에 대해 모멘트 ⟨Mⁿₓ⟩를 추출한다.
• 캘리브레이션 함수, 트래킹 효율(FEI), 입자 식별(PID), 그리고 배경 추정치로 사용되는 B→Xuℓν의 분해율에 기인한 체계적 불확도를 체계적으로 평가한다.
• 재구성 및 선택 편향을 보정하기 위해 몬테카를로 시뮬레이션을 사용하여 편향 보정을 적용한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 베일 II에서 B→Xcℓν 붕괴에서 ⟨M⁴ₓ⟩, ⟨M⁵ₓ⟩, ⟨M⁶ₓ⟩의 초기도 질량 모멘트 값은 무엇이며, 높은 정밀도로 측정되었는가?

주요 결과

• p*ℓ > 1.4 GeV/c일 때 측정된 ⟨M⁴ₓ⟩는 (GeV/c²)⁴ 단위로 19.4346이며, 총 불확도는 (GeV/c²)⁴ 단위로 3.1803로, 상대 불확도 약 16.3%이다.
• p*ℓ > 1.4 GeV/c일 때 ⟨M⁵ₓ⟩는 (GeV/c²)⁵ 단위로 42.5549이며, 총 불확도는 (GeV/c²)⁵ 단위로 3.2870로, 상대 불확도 약 7.7%이다.
• p*ℓ > 1.4 GeV/c일 때 ⟨M⁶ₓ⟩는 (GeV/c²)⁶ 단위로 95.6289이며, 총 불확도는 (GeV/c²)⁶ 단위로 9.6506로, 상대 불확도 약 10.1%이다.
• 모멘트의 주요 체계적 불확도는 특히 ⟨M⁶ₓ⟩와 같은 고차 모멘트에서 편향 보정의 모델 의존성에서 기인한다.
• 통계적 불확도는 ⟨M⁵ₓ⟩와 ⟨M⁶ₓ⟩의 경우, 특히 높은 p*ℓ 컷에서 신호 확률 추정기에서 기인한다.
• 결과는 QCD 인과성과 HQET의 이론적 예측과 일치하며, |V_cb| 추출을 위한 정밀 도구로 모멘트를 사용하는 것이 타당하다는 것을 뒷받침한다.