[논문 리뷰] Measurement of branching fractions and direct $CP$ asymmetries for $B o K\pi$ and $B o\pi\pi$ decays at Belle II

I. Adachi, L. Aggarwal외 436명|arXiv (Cornell University)|2023. 01. 01.

Particle physics theoretical and experimental studies인용 수 2

한 줄 요약

이 논문은 베일리 II에서 확보한 387백만 개의 $B\bar{B}$ 쌍을 이용해 $B^0 \to K^+\pi^-$, $B^+ \to K^+\pi^0$, $B^+ \to \bar{K}^0\pi^+$, $B^0 \to \bar{K}^0\pi^0$, $B^+ \to \pi^+\pi^0$, 및 $B^0 \to \pi^+\pi^-$ 붕괴의 분해율과 직접 CP 비대칭을 정밀하게 측정한다. 등각 대칭을 통합한 측정된 CP 비대칭은 $-0.03 \pm 0.13 \pm 0.04$이며, 이는 표준모형 예측인 0과 일치한다. 이는 등각 대칭을 통한 새로운 물리의 엄격한 시험을 제공한다.

ABSTRACT

We report measurements of the branching fractions and direct $\it{CP}$ asymmetries of the decays $B^0 o K^+ \pi^-$, $B^+ o K^+ \pi^0$, $B^+ o K^0 \pi^+$, and $B^0 o K^0 \pi^0$, and use these for testing the standard model through an isospin-based sum rule. In addition, we measure the branching fraction and direct $\it{CP}$ asymmetry of the decay $B^+ o \pi^+\pi^0$ and the branching fraction of the decay $B^0 o \pi^+\pi^-$. The data are collected with the Belle II detector from $e^+e^-$ collisions at the $\Upsilon(4S)$ resonance produced by the SuperKEKB asymmetric-energy collider and contain $387 imes 10^6$ bottom-antibottom meson pairs. Signal yields are determined in two-dimensional fits to background-discriminating variables, and range from 500 to 3900 decays, depending on the channel. We obtain $-0.03 \pm 0.13 \pm 0.04$ for the sum rule, in agreement with the standard model expectation of zero and with a precision comparable to the best existing determinations.

연구 동기 및 목표

• 초기성 없는 $B \to K\pi$ 및 $B \to \pi\pi$ 붕괴의 분해율과 직접 CP 비대칭을 슈퍼케이브 콜라이더에서 확보한 대량의 데이터 샘플을 이용해 측정하기 위해.
• 이러한 붕괴에 대해 직접 CP 비대칭 합이 0이 되는 것을 예측하는 등각 대칭 기반의 합 규칙을 통해 표준모형을 시험하기 위해.
• 표준모형을 초월한 새로운 물리의 민감한 탐색을 가능하게 하기 위해 $B \to K\pi$ 및 $B \to \pi\pi$ 붕괴의 CP 비대칭 측정 정밀도를 향상시키기 위해.
• 배경 구분 변수에 대한 이중 차원 피팅을 통해 신호 수확량을 추출하여 시스템적 불확실성을 감소시키기 위해.

제안 방법

• 데이터는 슈퍼케이브에서의 e⁺e⁻ 충돌에 의해 생성된 $\Upsilon(4S)$ 공명에서 베일리 II 검출기를 사용해 수집되었으며, 총 387 × 10⁶ 개의 $B\bar{B}$ 쌍에 해당한다.
• 신호 수확량은 관측된 질량과 에너지 차이를 포함한 운동량 변수에 대한 이중 차원 확장 최대우도 피팅을 통해 추출되었으며, 배경를 억제하기 위해 사용되었다.
• 표준모형에서 예측하는 바와 같이, $B \to K\pi$ 및 $B \to \pi\pi$ 붕괴의 CP 비대칭을 등각 대칭 합 규칙을 통해 조합하였다.
• 시스템적 불확실성은 제어 샘플, 몬테카를로 시뮬레이션 및 데이터 기반 방법을 사용해 평가하여 강건성을 확보하였다.
• 사건 재구성, 선택 및 피팅을 위해 전체 검출기 반응을 시뮬레이션한 basf2 소프트웨어 프레임워크를 사용하였다.
• CP 비대칭은 $A_{\rm CP} = (N_{\rm B} - N_{\rm \bar{B}})/(N_{\rm B} + N_{\rm \bar{B}})$ 식으로 계산되었으며, 여기서 $N_{\rm B}$ 및 $N_{\rm \bar{B}}$ 는 $B$ 및 $\bar{B}$ 붕괴의 수확량을 의미한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 What are the precise branching fractions and direct CP asymmetries for $B^0 \to K^+\pi^-$, $B^+ \to K^+\pi^0$, $B^+ \to \bar{K}^0\pi^+$, $B^0 \to \bar{K}^0\pi^0$, $B^+ \to \pi^+\pi^0$, and $B^0 \to \pi^+\pi^-$ decays?
• RQ2 How well does the measured isospin-summed CP asymmetry agree with the Standard Model prediction of zero?
• RQ3 Can the precision of the CP asymmetry sum rule measurement constrain new physics contributions to $B$ decays?
• RQ4 What is the significance of the observed CP asymmetry in the context of non-factorizable QCD amplitudes and theoretical uncertainties?

주요 결과

• 측정된 등각 대칭을 통합한 직접 CP 비대칭은 $-0.03 \pm 0.13 \pm 0.04$이며, 표준모형 예측인 0과 일치한다.
• 합 규칙 측정의 정밀도는 기존 최고의 측정 수준과 유사하여, 베일리 II의 고품질 데이터를 입증한다.
• 신호 수확량은 채널당 500에서 3900개의 붕괴에 이르며, 고정밀 측정에 충분한 통계량을 제공한다.
• $B \to K\pi$ 및 $B \to \pi\pi$ 붕괴의 분해율과 CP 비대칭은 통계적 및 시스템적 불확실성이 향상되어 보고되었다.
• 분석은 등각 대칭과 CP 위반의 맥락에서 데이터가 표준모형과 일치함을 확인한다.
• 결과는 비전자적 $B$ 붕괴에 대한 엄격한 시험을 제공하며, 표준모형을 초월한 잠재적 새로운 물리 기여를 제약한다.