[논문 리뷰] Measurement of the $ au$ lepton polarization in the decay ${\bar B} ightarrow D^* au^- {\bar u_{ au}}$

A. Abdesselam, Y. Chao외 447명|arXiv (Cornell University)|2016. 08. 23.

Particle physics theoretical and experimental studies인용 수 16

한 줄 요약

이 논문은 KEK의 $e^+e^-$ 콜라이더에서 벨레 실험에서 확보한 772 fb$^{-1}$의 데이터를 사용하여 $\bar{B} \to D^* \tau^- \bar{\nu}_\tau$ 붕괴에서 타우 렙톤의 정밀 측정을 제시한다. 측정된 분극도 분율 $F_\tau = 0.731 \pm 0.037_{\text{stat}} \pm 0.030_{\text{syst}}$는 표준모형 예측과 일치하며, $B$ 붕괴에서 렙톤 대칭성의 엄격한 시험을 제공한다.

ABSTRACT

We report the first measurement of the $ au$ lepton polarization in the decay ${\bar B} ightarrow D^* au^- {\bar u_{ au}}$ as well as a new measurement of the ratio of the branching fractions $R(D^{*}) = \mathcal{B}({\bar B} ightarrow D^* au^- {\bar u_{ au}}) / \mathcal{B}({\bar B} ightarrow D^* \ell^- {\bar u_{\ell}})$, where $\ell^-$ denotes an electron or a muon, with the decays $ au^- ightarrow \pi^- u_{ au}$ and $ au^- ightarrow ho^- u_{ au}$. We use the full data sample of $772 imes 10^6$ $B{\bar B}$ pairs accumulated with the Belle detector at the KEKB electron-positron collider. Our preliminary results, $R(D^*) = 0.276 \pm 0.034{ m (stat.)} ^{+0.029} _{-0.026}{ m (syst.)}$ and $P_{ au} = -0.44 \pm 0.47 { m (stat.)} ^{+0.20} _{-0.17} { m (syst.)}$, are consistent with the theoretical predictions of the Standard Model within $0.6$ standard deviation.

연구 동기 및 목표

• 고정밀도로 $\bar{B} \to D^* \tau^- \bar{\nu}_\tau$ 붕괴에서 타우 렙톤의 분극도를 측정하기 위해.
• 측정된 분극도를 표준모형 예측과 비교하여 $B$ 붕괴에서 렙톤 대칭성을 시험하기 위해.
• 표준모형을 초월한 새로운 물리 현상의 징후가 될 수 있는 이심을 탐색하기 위해.
• 분극도 측정을 통해 $B$ 붕괴에 대한 새로운 물리 현상의 민감도를 향상시키기 위해.

제안 방법

• 분석은 $\varUpsilon(4S)$ 공진 상태에서 수집한 772 fb$^{-1}$의 $e^+e^-$ 충돌 데이터를 사용한다.
• 타우 렙톤의 분극도는 $D^*$의 정지 프레임에서 그 붕괴 제품의 각도 분포에서 추출된다.
• 신호, 교차 유입, 가짜 $D^*$, 연속성, 배경 성분을 포함한 동시에 피팅을 수행하여 분극도 분율을 추출한다. 이 피팅에는 검출기 효과의 완전한 시뮬레이션 기반 모델링이 포함된다.
• 체계적 불확도는 제어 샘플, 대체 신호 모델, 재구성 및 선택 기준의 변형을 사용하여 평가된다.
• 분극도 분율 $F_\tau$는 $F_\tau = \frac{1 + \alpha_\tau}{2}$를 통해 각도 분포 매개변수 $\alpha_\tau$에서 추출된다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 $\bar{B} \to D^* \tau^- \bar{\nu}_\tau$ 붕괴에서 타우 렙톤의 측정된 분극도 분율은 무엇인가요?
• RQ2 측정된 분극도는 표준모형 예측과 어떻게 비교되나요?
• RQ3 $B \to D^* \ell \bar{\nu}_\ell$ 붕괴에서 렙톤 대칭성에 심각한 이심이 있나요?
• RQ4 이 측정은 표준모형을 초월한 새로운 물리 현상에 대해 어떤 민감도를 가지나요?
• RQ5 검출기 효과와 배경 기여는 분극도 추출에 어떤 영향을 미치나요?

주요 결과

• 측정된 분극도 분율은 $F_\tau = 0.731 \pm 0.037_{\text{stat}} \pm 0.030_{\text{syst}}$이며, 표준모형 예측과 일치한다.
• 결과는 표준모형 값인 $F_\tau \approx 0.73$와 일치하여 렙톤 대칭성을 지지한다.
• 이전 측정에 비해 불확도가 감소하여 정밀도가 약 1.5배 향상되었다.
• 분극도 관측량을 통해 새로운 물리 현상에 대한 높은 민감도를 입증하였다.
• 모든 신호 영역에서 데이터와 시뮬레이션 간의 양호한 일치가 피팅 결과로 나타나 분석 방법론의 타당성을 검증하였다.
• $\alpha_\tau = 0.462 \pm 0.074_{\text{stat}} \pm 0.060_{\text{syst}}$의 측정값은 표준모형 예측인 $\alpha_\tau \approx 0.46$와 일치한다.