[논문 리뷰] Study of Dynamics of $D^0 o K^- e^+ u_{e}$ and $D^0 o\pi^- e^+ u_{e}$ Decays

F. De Mori, М. Н. Ачасов외 400명|arXiv (Cornell University)|2015. 08. 30.

Particle physics theoretical and experimental studies인용 수 4

한 줄 요약

이 연구는 BESIII 실험에서 3.773 GeV에서 수집한 2.92 fb$^{-1}$의 데이터를 사용하여, $D^0 \to K^- e^+ \bar{\nu}_e$ 및 $D^0 \to \pi^- e^+ \bar{\nu}_e$ 반응의 가장 정밀한 측정을 수행한다. 이 연구는 $f_+^K(0)|V_{cs}| = 0.7172 \pm 0.0025 \pm 0.0035$ 및 $f_+^\pi(0)|V_{cd}| = 0.1435 \pm 0.0018 \pm 0.0009$의 곱을 결정하여, 라티스 QCD와 경계면 합계 규칙을 검증하기 위한 보다 정밀한 쿠퍼-핵자 행렬 요소와 형상 인자 추출을 가능하게 한다.

ABSTRACT

In an analysis of a 2.92~fb$^{-1}$ data sample taken at 3.773~GeV with the BESIII detector operated at the BEPCII collider, we measure the absolute decay branching fractions to be $\\mathcal B(D^0 \ o K^-e^+\ u_e)=(3.505\\pm 0.014 \\pm 0.033)\\%$ and $\\mathcal B(D^0 \ o \\pi^-e^+\ u_e)=(0.295\\pm 0.004\\pm 0.003)\\%$. From a study of the differential decay rates we obtain the products of hadronic form factor and the magnitude of the CKM matrix element $f_{+}^K(0)|V_{cs}|=0.7172\\pm0.0025\\pm 0.0035$ and $f_{+}^{\\pi}(0)|V_{cd}|=0.1435\\pm0.0018\\pm 0.0009$. Combining these products with the values of $|V_{cs(d)}|$ from the SM constraint fit, we extract the hadronic form factors $f^K_+(0) = 0.7368\\pm0.0026\\pm 0.0036$ and $f^\\pi_+(0) = 0.6372\\pm0.0080\\pm 0.0044$, and their ratio $f_+^{\\pi}(0)/f_+^{K}(0)=0.8649\\pm 0.0112\\pm 0.0073$. These form factors and their ratio are used to test unquenched Lattice QCD calculations of the form factors and a light cone sum rule (LCSR) calculation of their ratio. The measured value of $f_+^{K(\\pi)}(0) |V_{cs(d)}|$ and the lattice QCD value for $f^{K(\\pi)}_+(0)$ are used to extract values of the CKM matrix elements of $|V_{cs}|=0.9601 \\pm 0.0033 \\pm 0.0047 \\pm 0.0239$ and $|V_{cd}|=0.2155 \\pm 0.0027 \\pm 0.0014 \\pm 0.0094$, where the third errors are due to the uncertainties in lattice QCD calculations of the form factors. Using the LCSR value for $f_+^\\pi(0)/f_+^K(0)$, we determine the ratio $|V_{cd}|/|V_{cs}|=0.238\\pm 0.004\\pm 0.002\\pm 0.011$, where the third error is from the uncertainty in the LCSR normalization. In addition, we measure form factor parameters for three different theoretical models that describe the weak hadronic charged currents for these two semileptonic decays. All of these measurements are the most precise to date.

연구 동기 및 목표

• 대량의 데이터 샘플을 사용하여 $D^0 \to K^-e^+\bar{\nu}_e$ 및 $D^0 \to \pi^-e^+\bar{\nu}_e$ 붕괴의 절대 브랜치 비율을 고정밀도로 측정한다.
• 차분 붕괴율 분석을 통해 강입자 형상 인자와 CKM 행렬 요소의 곱인 $f_+^K(0)|V_{cs}|$ 및 $f_+^\pi(0)|V_{cd}|$를 결정한다.
• 측정된 형상 인자 곱과 라티스 QCD 계산을 조합하여 CKM 행렬 요소 $|V_{cs}|$ 및 $|V_{cd}|$의 절대값을 추출한다.
• 측정된 데이터를 사용하여 비완전 라티스 QCD와 경계면 합계 규칙(LCSR) 예측의 형상 인자 및 그 비율을 검증한다.
• 이러한 반응에서의 약한 강입자 전하 전류를 기술하는 이론 모델을 위한 가장 정밀한 형상 인자 파rameter를 제공한다.

제안 방법

• BEPCII에서 $\sqrt{s} = 3.773$ GeV에서 수집한 2.92 fb$^{-1}$의 데이터 분석.
• 완전히 재구성된 $D^0$ 붕괴를 이용한 $K^-e^+\bar{\nu}_e$ 및 $\pi^-e^+\bar{\nu}_e$ 최종 상태에서의 절대 브랜치 비율 측정.
• 측정된 브랜치 비율에 대한 제약 조건을 포함한 차분 붕괴율 피팅을 통해 $f_+^K(0)|V_{cs}|$ 및 $f_+^\pi(0)|V_{cd}|$를 추출한다.
• 측정된 형상 인자 곱과 라티스 QCD 결과를 조합하여 $f_+^K(0)$ 및 $f_+^\pi(0)$를 추출하고, $|V_{cs}|$ 및 $|V_{cd}|$를 결정한다.
• 경계면 합계 규칙(LCSR) 예측을 사용하여 형상 인자 비율 $f_+^\pi(0)/f_+^K(0)$를 추출하고 불확실성 전파를 고려한다.
• 세 가지 이론 모델에 맞추어 형상 인자 파rameter를 피팅하여 반응에서의 약한 강입자 전류를 기술한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 어느 정도의 정밀도로 $D^0 \to K^-e^+\bar{\nu}_e$의 절대 브랜치 비율을 측정할 수 있는가?
• RQ2 차분 붕괴율 분석을 통해 $f_+^K(0)|V_{cs}|$를 가장 정밀하게 어떻게 결정할 수 있는가?
• RQ3 측정된 $f_+^K(0)$ 및 $f_+^\pi(0)$ 값은 비완전 라티스 QCD 계산과 어떻게 비교되는가?
• RQ4 측정된 $f_+^K(0)|V_{cs}|$와 라티스 QCD 형상 인자 예측을 조합하여 $|V_{cs}|$의 추출 값은 무엇인가?
• RQ5 LCSR 예측을 사용하여 형상 인자 비율에 기반한 $|V_{cd}|/|V_{cs}|$ 비율의 정밀도는 어느 정도인가?

주요 결과

• 절대 브랜치 비율 $D^0 \to K^-e^+\bar{\nu}_e$는 $\mathcal{B} = (3.505 \pm 0.014 \pm 0.033)\%$로 측정되었다.
• 절대 브랜치 비율 $D^0 \to \pi^-e^+\bar{\nu}_e$는 $\mathcal{B} = (0.295 \pm 0.004 \pm 0.003)\%$로 측정되었다.
• 곱 $f_+^K(0)|V_{cs}|$는 $0.7172 \pm 0.0025 \pm 0.0035$로 결정되었다.
• 곱 $f_+^\pi(0)|V_{cd}|$는 $0.1435 \pm 0.0018 \pm 0.0009$로 결정되었다.
• 라티스 QCD 입력을 사용하여 강입자 형상 인자 $f_+^K(0)$는 $0.7368 \pm 0.0026 \pm 0.0036$로 추출되었다.
• 라티스 QCD 입력을 사용하여 강입자 형상 인자 $f_+^\pi(0)$는 $0.6372 \pm 0.0080 \pm 0.0044$로 추출되었다.