[论文解读] Determination of $|V_{cb}|$ using $\overline{B}^0 o D^{*+}\ell^-\bar u_\ell$ decays with Belle II

I. Adachi, K. Adamczyk+417 more|arXiv (Cornell University)|Jan 1, 2023

Particle physics theoretical and experimental studies参考文献 45被引用 1

一句话总结

本文利用Belle II实验获得的189 fb⁻¹ e⁺e⁻碰撞数据，通过分析B⁰ → D*⁺ℓ⁻ν̄ℓ衰变，实现了对Cabibbo-Kobayashi-Maskawa矩阵元|Vcb|的高精度测定。采用BGL与CLN参数化形式并结合格点QCD输入，分别得到|Vcb| = (40.57 ± 0.31 ± 0.95 ± 0.58)×10⁻³ 和 (40.13 ± 0.27 ± 0.93 ± 0.58)×10⁻³，所有结果均基于完整的角度依赖与动量转移依赖的局部衰变率测量，且与轻子味 universality 一致。

ABSTRACT

We determine the CKM matrix-element magnitude $|V_{cb}|$ using $\overline{B}^0 o D^{*+}\ell^-\bar u_\ell$ decays reconstructed in $189 \, \mathrm{fb}^{-1}$ of collision data collected by the Belle II experiment, located at the SuperKEKB $e^+e^-$ collider. Partial decay rates are reported as functions of the recoil parameter $w$ and three decay angles separately for electron and muon final states. We obtain $|V_{cb}|$ using the Boyd-Grinstein-Lebed and Caprini-Lellouch-Neubert parametrizations, and find $|V_{cb}|_\mathrm{BGL}=(40.57\pm 0.31 \pm 0.95\pm 0.58) imes 10^{-3}$ and $|V_{cb}|_\mathrm{CLN}=(40.13 \pm 0.27 \pm 0.93\pm 0.58 ) imes 10^{-3}$ with the uncertainties denoting statistical components, systematic components, and components from the lattice QCD input, respectively. The branching fraction is measured to be ${\cal B}(\overline{B}^0 o D^{*+}\ell^-\bar u_\ell)=(4.922 \pm 0.023 \pm 0.220)\%$. The ratio of branching fractions for electron and muon final states is found to be $0.998 \pm 0.009 \pm 0.020$. In addition, we determine the forward-backward angular asymmetry and the $D^{*+}$ longitudinal polarization fractions. All results are compatible with lepton-flavor universality in the Standard Model.

研究动机与目标

• 利用Belle II实验中B⁰ → D*⁺ℓ⁻ν̄ℓ半轻衰变过程，高精度测定|Vcb|。
• 测量电子与μ子末态下局部衰变率随动量转移参数w及三个衰变角（θℓ, θK, φ）的变化关系。
• 通过比较电子与μ子末态的分支比，检验轻子味 universality。
• 利用BGL与CLN参数化形式并结合格点QCD约束，提取形式因子参数。
• 评估探测器效应、背景建模及格点QCD输入带来的系统性不确定性。

提出的方法

• 使用Belle II实验在SuperKEKB对撞机上收集的189 fb⁻¹ e⁺e⁻碰撞数据。
• 通过完整重建D*⁺及轻子的运动学信息，实现B⁰ → D*⁺ℓ⁻ν̄ℓ衰变的重建。
• 测量电子与μ子末态下局部衰变率随动量转移参数w及三个衰变角（θℓ, θK, φ）的依赖关系。
• 采用BGL与CLN参数化形式建模形式因子，其中引入FNAL/MILC格点QCD结果对hA1(w)、R1(w)与R2(w)的约束。
• 通过嵌套假设检验确定形式因子参数化展开的最优阶数。
• 同时拟合数据与格点输入，通过最小化χ²来提取|Vcb|，并分离统计误差、系统误差与格点QCD输入误差。

实验结果

研究问题

• RQ1 基于Belle II数据，利用包含完整角度依赖与动量转移依赖的B⁰ → D*⁺ℓ⁻ν̄ℓ衰变过程，|Vcb|的精确值是多少？
• RQ2 在引入格点QCD输入约束的条件下，BGL与CLN参数化形式在描述形式因子方面有何差异？
• RQ3 电子与μ子末态分支比的测量结果是否与标准模型中的轻子味 universality 一致？
• RQ4 当引入FNAL/MILC格点QCD预测的hA1(w)、R1(w)与R2(w)时，形式因子展开的最优阶数为何？
• RQ5 在引入格点输入后，提取的形式因子参数及其相关性如何变化？

主要发现

• 采用BGL参数化形式，得到|Vcb| = (40.57 ± 0.31 ± 0.95 ± 0.58)×10⁻³，不确定性分别来自统计、系统性及格点QCD输入。
• CLN参数化形式给出|Vcb| = (40.13 ± 0.27 ± 0.93 ± 0.58)×10⁻³，与BGL结果在不确定度范围内一致。
• 测量得到B⁰ → D*⁺ℓ⁻ν̄ℓ的分支比为(4.922 ± 0.023 ± 0.220)%。
• 电子与μ子末态分支比之比为0.998 ± 0.009 ± 0.020，与轻子味 universality 一致。
• 当引入FNAL/MILC格点QCD对hA1(w)、R1(w)与R2(w)的预测时，需采用更高阶BGL展开（na=1, nb=3, nc=2）才能获得可接受的χ²，此时|Vcb| = 39.7 ± 1.1×10⁻³。
• 完整提供了拟合得到的形式因子参数及其不确定性传播结果，便于未来与格点QCD计算及全球拟合进行比较。