[논문 리뷰] Measurement of the branching ratio of $\bar{B}^0 ightarrow D^{*+} τ^- \barν_τ$ relative to $\bar{B}^0 ightarrow D^{*+} \ell^- \barν_{\ell}$ decays with a semileptonic tagging method

A. Abdesselam, I. Adachi외 442명|arXiv (Cornell University)|2016. 03. 22.

Particle physics theoretical and experimental studies인용 수 48

한 줄 요약

이 논문은 벨 실험에서 KEKB e⁺e⁻ 충돌기에서 수집한 772×10⁶개의 B̄B̄ 쌍을 바탕으로, 반입자 B⁰의 반응에서 D*+τ⁻ν̄τ의 분해율을 Br(B̄⁰ → D*+τ⁻ν̄τ)/Br(B̄⁰ → D*+ℓ⁻ν̄ℓ)로 정의된 분해비율 R(D*)를 유도하는 반레프톤 태깅 방법을 사용하여 처음으로 측정한다. 결과는 R(D*) = 0.302 ± 0.030 (통계적) ± 0.011 (계측 오차)로, 1.6σ 이내에서 표준모형과 일치하며, 다른 통합 측정 결과와도 일치하여 렙톤의 맛 보존 원리에 대한 통계적으로 독립적인 검증을 제공한다.

ABSTRACT

We report a measurement of ratio ${\cal R}(D^*) = {\cal B}(\bar{B}^0 ightarrow D^{*+} τ^- \barν_τ)/{\cal B}(\bar{B}^0 ightarrow D^{*+} \ell^- \barν_{\ell})$, where $\ell$ denotes an electron or a muon. The results are based on a data sample containing $772 imes10^6$ $B\bar{B}$ pairs recorded at the $Υ(4S)$ resonance with the Belle detector at the KEKB $e^+ e^-$ collider. We select a sample of $B^0 \bar{B}^0$ pairs by reconstructing both $B$ mesons in semileptonic decays to $D^{*\mp} \ell^{\pm}$. We measure ${\cal R}(D^*)= 0.302 \pm 0.030({ m stat)} \pm 0.011({ m syst)}$, which is within $1.6 σ$ of the Standard Model theoretical expectation, where $σ$ is the standard deviation including systematic uncertainties.

연구 동기 및 목표

• 반레프톤 태깅 방법을 사용하여 772×10⁶개의 B̄B̄ 쌍을 수집한 벨 실험 데이터를 바탕으로, Br(B̄⁰ → D*+τ⁻ν̄τ)/Br(B̄⁰ → D*+ℓ⁻ν̄ℓ)로 정의된 R(D*) 분해비율을 고정밀도로 측정한다.
• B⁰ → D*+ℓ⁻ν̄ℓ 붕괴에서 렙톤의 맛 보존 원리의 타당성을 검증하기 위해, τ와 경량 렙톤 궁극 상태를 비교한다.
• 측정된 R(D*)가 타입 II 이중 히iggs 보우 모형(2HDM) 및 R₂형 렙톤보 모형과 같은 새로운 물리 모형과 얼마나 일치하는지 평가한다.
• 이전의 통합 분 析와 통계적으로 독립적인 R(D*) 측정을 제공하여, 표준모형 예측과의 글로벌 비교에 대한 신뢰도를 높인다.

제안 방법

• 반입자 B⁰ 메손의 맛을 그의 하드론적 동반 입자 B⁰ → D*+ℓ⁻ν̄ℓ 붕괴를 재구성함으로써 반레프톤 태깅 방법을 사용하여 식별한다.
• KEKB e⁺e⁻ 충돌기에서 벨 검출기로 수집한 772×10⁶개의 B̄B̄ 쌍 데이터 샘플을 활용한다.
• 신호 이벤트를 D*+ 및 τ⁻ 붕괴 모드에서 분리하기 위해 배경 제거 및 운동량 재구성 기법을 적용한다.
• 신호 강화 영역에서 D*+ 및 ℓ⁻의 운동량 분포를 동시에 피팅하여 분해율을 추출한다.
• 신호 및 배경 기여도를 모델링하기 위해 몬테카를로 시뮬레이션을 사용하며, 검출된 이벤트 수에 따라 정규화한다.
• 검출기 효율, 재구성 편향, 입자 식별 및 트래킹 오차에 기인한 계측 오차를 보정한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 반레프톤 태깅 방법을 사용하여 Br(B̄⁰ → D*+τ⁻ν̄τ)/Br(B̄⁰ → D*+ℓ⁻ν̄ℓ)로 정의된 R(D*)의 정밀한 값은 무엇인가?
• RQ2 측정된 R(D*)는 표준모형 예측과 어떻게 비교되며, 오차 범위 내에서 일치하는가?
• RQ3 데이터는 타입 II 2HDM 및 R₂형 렙톤보 모형과 같은 새로운 물리 모형과 어느 정도 일치하는가?
• RQ4 측정된 R(D*) 값은 렙톤의 맛 보존 원리에서의 명백한 편향을 보이는가?
• RQ5 이 측정은 이전의 벨 통합 측정과 통계적으로 독립적인가?

주요 결과

• 측정된 R(D*) 값은 0.302 ± 0.030 (통계적) ± 0.011 (계측 오차)로, 표준모형 예측과 1.6σ 범위 내에서 일치한다.
• 결과는 벨, 바바르, LHCb에서의 다른 통합 측정 결과와 양호한 일치를 보이며, 이전 연구에서 관측된 R(D*)의 지속적인 증가 현상이 확인된다.
• 타입 II 2HDM에서 가장 유리한 매개변수 점은 tanβ/mH⁺ = 0.7 GeV⁻¹에 위치하며, R₂형 렙톤보 모형은 CT = +0.360 및 CT = -0.030를 선호한다.
• CT = +0.360인 R₂형 렙톤보 모형은 D*+ 운동량 분포에 대해 단지 1.4%의 p-값을 기록하여 붕괴 운동량 분석을 고려할 경우 데이터에 의해 기각됨이 나타난다.
• 이 측정은 이전의 벨 통합 측정과 통계적으로 독립적이며, 렙톤의 맛 보존 원리에 대한 글로벌 테스트에서의 역할을 강화한다.
• 배경 제거 후 D*+ 및 ℓ⁻의 운동량 분포는 데이터와 기대 분포 사이에 양호한 일치를 보이며, 분석 방법론의 타당성을 검증한다.