[논문 리뷰] Measurement of the semileptonic $\bar{B}^0 o D^{*+} \ell^{-} u_{\ell}$ branching fraction with fully reconstructed $B$ meson decays and 34.6 fb$^{-1}$of Belle II data

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

Particle physics theoretical and experimental studies인용 수 4

한 줄 요약

이 논문은 34.6 fb$^{-1}$의 Belle II 데이터를 사용하여 완전히 재구성된 $B$ 메손을 통해 $ar{B}^0 \to D^{*+} \ell^- \nu_\ell$의 반감기 분획에 대한 최초의 측정을 제시한다. 측정된 분획은 $4.51 \pm 0.41_{\text{stat}} \pm 0.27_{\text{syst}} \pm 0.45_{\pi}$\%로, 세계 평균과 일치하며 향후 $B \to \tau \bar{\nu}_\tau$ 및 $B \to D^{(*)} \tau \bar{\nu}_\tau$ 연구에 필수적인 기초를 제공한다.

ABSTRACT

We present a first measurement of the $\bar{B^{0}} ightarrow D^{*+} \ell^{-} u_{\ell}$ branching fraction using fully reconstructed $B$ meson decays employing the Full Event Interpretation algorithm. Collision events corresponding to an integrated luminosity of \lumi are analyzed, which were recorded by the Belle~II detector operated at the SuperKEKB accelerator complex. We measure$\cal{B}(\bar{B^{0}} ightarrow D^{*+} \ell^{-} u_{\ell}) =4.51 \pm 0.41_{stat}\pm0.27_{syst} \pm0.45_{\pi_s}$, with the first and second error denoting the statistical and systematic uncertainty, respectively, and the third dominant uncertainty is from the slow pion reconstruction efficiency.

연구 동기 및 목표

• 완전히 재구성된 $B$ 메손 붕괴를 통해 $\bar{B}^0 \to D^{*+} \ell^- \nu_\ell$의 반감기 분획을 측정하는 것.
• 34.6 fb$^{-1}$의 Belle II 데이터를 사용하여 분획의 정밀한 결정을 수행하는 것.
• Full Event Interpretation 알고리즘의 성능을 $B$ 메손 붕괴 재구성에 있어 검증하는 것.
• 향후 $\tau$ 레프톤을 포함하는 희귀 $B$ 붕괴 측정, 예를 들어 $B \to \tau \bar{\nu}_\tau$에 대한 기초를 마련하는 것.
• $B$ 붕괴에서 $\tau$ 레프톤 붕괴의 미량 에너지를 탐지하는 데 있어 EECL(에너지 초과 캘리메터 라이트) 관측량의 중요성을 평가하는 것.

제안 방법

• 분석은 $\varUpsilon(4S)$ 공명에서의 $e^+e^-$ 충돌에서 발생하는 완전히 하드론성 $B$ 붕괴를 재구성하기 위해 Full Event Interpretation (FEI) 알고리즘을 사용한다.
• 재구성된 $B$ 메손은 $M_{\text{miss}}^2$ 및 $\Delta E$ 변수를 포함한 운동량 및 위상적 제약 조건을 통해 식별된다.
• $D^{*+}$ 메손은 $D^{*+} \to D^0 \pi^+$ 붕괴를 통해 재구성되며, $D^0$는 $K^- \pi^+$, $K^- \pi^+ \pi^+ \pi^-$ 또는 $K^- \pi^+ \pi^0$로 붕괴된다.
• 조합 배경를 억제하고 신호 순도를 향상시키기 위해 다변량 BDT(강화된 결정 트리) 선택 기법이 적용된다.
• 분획은 $M_{\text{miss}}^2$ 분포에 대한 최대우도 적합을 통해 추출되며, 시스테믹 불확실성은 편도, 트래킹 및 캘리브레이션에 기인한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 $\bar{B}^0 \to D^{*+} \ell^- \nu_\ell$의 분획 측정치는 34.6 fb$^{-1}$의 Belle II 데이터에서 완전히 재구성된 $B$ 붕괴를 통해 무엇인가?
• RQ2 신호 순도와 배경 억제 측면에서 Full Event Interpretation 알고리즘의 성능은 이전의 재구성 방법과 비교하여 어떻게 되는가?
• RQ3 $B$ 메손 붕괴에서 $\tau$ 레프톤 붕괴의 미량 에너지를 탐지하는 데 있어 EECL 관측량의 역할은 무엇인가?
• RQ4 특히 느린 피오닉 효율성에서 기인하는 시스테믹 불확실성은 최종 분획 측정치에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ5 이 측정치는 향후 $B \to \tau \bar{\nu}_\tau$ 및 $B \to D^{(*)} \tau \bar{\nu}_\tau$ 분석에 얼마나 잘 캘리브레이션으로 활용될 수 있는가?

주요 결과

• $\bar{B}^0 \to D^{*+} \ell^- \nu_\ell$의 측정된 분획은 $4.51 \pm 0.41_{\text{stat}} \pm 0.27_{\text{syst}} \pm 0.45_{\pi}$\%이다.
• 결과는 현재 세계 평균과 일치하여 Belle II의 재구성 및 분석 체인의 타당성을 검증한다.
• 가장 큰 시스테믹 불확실성은 $D^{*+}$ 붕괴에서 느린 피오닉을 식별하는 효율성에서 기인한다.
• EECL 관측량은 데이터와 시뮬레이션 간 양호한 일치를 보이며, 향후 $B \to \tau \bar{\nu}_\tau$ 분석에서의 활용 가능성을 뒷받침한다.
• Full Event Interpretation 알고리즘은 높은 신호 순도와 낮은 배경 오염을 통해 $B$ 붕괴를 성공적으로 재구성하였다.
• 본 연구는 향후 $B \to \tau \bar{\nu}_\tau$ 붕괴 측정에 있어 중요한 기준점이 되며, 이는 표준모형을 초월한 새로운 물리학을 탐색하는 데 핵심적인 도구이다.