[논문 리뷰] Measurement of the CKM angle $\gamma$ with $ B^\pm o D[K^\mp \pi^\pm \pi^\pm \pi^\mp] h^\pm$ decays using a binned phase-space approach

LHCb collaboration, Aaij, Roel외 1064명|arXiv (Cornell University)|2022. 01. 01.

Particle physics theoretical and experimental studies인용 수 3

한 줄 요약

이 논문은 B± → D[K∓π±π±π∓]h± 붕괴에서 CKM 각 γ를 더 높은 민감도로 측정하기 위해 새로운 이산화된 위상공간 분석을 제시한다. D-메손 붕괴 위상공간을 네 개의 밴드로 나누어 공명 인자와 침묵 효과를 감소시켜, γ = 54.8⁺⁶.⁰₋⁵.⁸⁺⁰.⁶₋⁰.⁶⁺⁶.⁷₋⁴.³°로 측정하였으며, 이는 이 붕괴 모드에서 지금까지 가장 정밀한 측정 결과이다.

ABSTRACT

The CKM angle $γ$ is determined from $C\!P$-violating observables measured in ${B^\pm o D[ K^\mp π^\pmπ^\pmπ^\mp] h^\pm}$, $(h = K,π)$ decays, where the measurements are performed in bins of the decay phase-space of the $D$ meson. Using proton-proton collision data collected by the LHCb experiment at centre-of-mass energies of $7, 8$ and $13\, ext{TeV}$, corresponding to a total integrated luminosity of $9\, ext{fb}^{-1}$, $γ$ is determined to be \begin{equation*} γ= \left( 54.8 \: ^{+\:6.0 }_{-\:5.8} \: ^{+\:0.6}_{-\:0.6} \: ^{+\:6.7}_{-\:4.3} ight)^\circ, \end{equation*} where the first uncertainty is statistical, the second systematic and the third from the external inputs on the coherence factors and strong phases of the $D$-meson decays.

연구 동기 및 목표

• B± → D[K∓π±π±π∾]h± 붕괴를 포함적인 측정 대신 위상공간의 밴드로 나누어 CKM 각 γ에 대한 민감도를 향상시키기 위해 분석한다.
• Cabibbo 유리한 D-붕괴와 이중적으로 Cabibbo 억제된 D-붕괴 간 간섭으로 인한 침묵 효과를 줄이기 위해 공명 인자가 높은 밴드를 선택함으로써, 공명 인자를 증가시킨다.
• CLEO-c와 BESIII에서 측정한 쿠르차이 붕괴 매개변수를 바탕으로 모델에 의존하지 않는 γ의 결정을 제공하며, LHCb D⁰-D̄⁰ 진동 측정 결과를 보완한다.
• 위상공간의 각 밴드 간 시스템적 상관관계와 효율성 보정을 고려하여 측정의 견고성을 시험한다.

제안 방법

• D → K±π∓π∓π± 붕괴의 위상공간은 참조 문헌 [17]에서 제안된 방식에 따라 네 개의 밴드로 나누었으며, 이는 위상공간의 차이를 최소화하고 공명 인자를 극대화하기 위해 설계되었다.
• B± → DK± 및 B± → Dπ± 붕괴의 비율을 이용해 각 밴드에서 CP 비대칭을 측정하며, Ri_h±와 双태그 관측량 Ri_DT를 형성한다.
• 측정된 쿠르차이 붕괴 매개변수—공명 인자 RK3π와 강한 위상 차이 δK3π—는 CLEO-c와 BESIII 데이터에서 취득하였으며, LHCb D⁰-D̄⁰ 진동 측정 결과로 제약 조건을 부여한다.
• 상관관계 행렬을 사용하여 관측량 간 통계적 및 시스템적 상관관계를 정량화하고, 시뮬레이션 샘플에서 유도된 효율성 보정(κ)과 그에 수반된 불확도를 산정한다.
• 효율성 보정이 γ, B-붕괴 매개변수(zh±), 쿠르차이 혼합 매개변수(x, y)에 따라 어떻게 변화하는지 도함수를 통해 모델링하여 불확도를 전파한다.
• 최종 γ 값은 외부 입력을 포함한 이산화된 관측량을 조합하여, 모든 상관관계와 불확도를 고려한 최대우도 적합을 통해 추출한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 D-메손 붕괴 위상공간을 밴드로 나누는 것이 포함 측정에 비해 CKM 각 γ에 대한 민감도를 향상시키는가?
• RQ2 다른 위상공간 영역에서 공명 인자와 강한 위상 차이가 γ 결정에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ3 시스템적 상관관계와 효율성 보정이 이산화된 분석에서 γ 측정의 정밀도에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ4 외부 입력을 통해 쿠르차이 붕괴 매개변수를 사용함으로써 측정을 얼마나 모델에 의존하지 않게 만들 수 있는가?
• RQ5 9 fb⁻¹의 LHC 데이터에서 B± → D[K∓π±π±π∾]h± 붕괴의 이산화된 관측량을 조합했을 때 γ의 정밀도는 어느 정도인가?

주요 결과

• CKM 각 γ는 54.8⁺⁶.⁰₋⁵.⁸⁺⁰.⁶₋⁰.⁶⁺⁶.⁷₋⁴.³°로 측정되었으며, 이는 이 붕괴 모드에서 지금까지 가장 정밀한 측정 결과이다.
• 이산화된 위상공간 접근법은 포함 평균에 비해 공명 인자를 증가시켜 침묵 효과를 감소시키고 γ에 대한 민감도를 향상시킨다.
• 관측량 간 통계적 상관관계는 작지만, 시스템적 상관관계는 뚜렷하며 특히 서로 다른 전하 모드와 밴드 간에 크다.
• 효율성 보정은 각 밴드에서 다르게 나타나며, γ와 B-붕괴 매개변수에 민감하며, 유한한 크기의 시뮬레이션 샘플에서 유도된 불확도를 가진다.
• 측정은 모델에 의존하지 않으며, 쿠르차이 붕괴 매개변수에 대한 외부 입력에 의존함으로써 복잡한 진폭 모델 가정을 피한다.
• 결과는 LHCb의 γ 평균값 65.4⁺³.⁸₋⁴.²°과 일치하지만, 새로운 더 민감한 방법을 통해 정밀도가 향상되었다.