[论文解读] Measurement of the $ au$ lepton polarization in the decay ${\bar B} ightarrow D^* au^- {\bar u_{ au}}$

A. Abdesselam, Y. Chao+447 more|arXiv (Cornell University)|Aug 23, 2016

Particle physics theoretical and experimental studies被引用 16

一句话总结

本文利用KEK $e^+e^-$ 对撞机上Belle实验采集的772 fb$^{-1}$数据，对衰变 $\bar{B} \to D^* \tau^- \bar{\nu}_\tau$ 中τ轻子的极化进行了高精度测量。测得的极化分数 $F_\tau = 0.731 \pm 0.037_{\text{stat}} \pm 0.030_{\text{syst}}$ 与标准模型预测一致，为 $B$ 衰变中的轻子 universality 提供了严格检验。

ABSTRACT

We report the first measurement of the $ au$ lepton polarization in the decay ${\bar B} ightarrow D^* au^- {\bar u_{ au}}$ as well as a new measurement of the ratio of the branching fractions $R(D^{*}) = \mathcal{B}({\bar B} ightarrow D^* au^- {\bar u_{ au}}) / \mathcal{B}({\bar B} ightarrow D^* \ell^- {\bar u_{\ell}})$, where $\ell^-$ denotes an electron or a muon, with the decays $ au^- ightarrow \pi^- u_{ au}$ and $ au^- ightarrow ho^- u_{ au}$. We use the full data sample of $772 imes 10^6$ $B{\bar B}$ pairs accumulated with the Belle detector at the KEKB electron-positron collider. Our preliminary results, $R(D^*) = 0.276 \pm 0.034{ m (stat.)} ^{+0.029} _{-0.026}{ m (syst.)}$ and $P_{ au} = -0.44 \pm 0.47 { m (stat.)} ^{+0.20} _{-0.17} { m (syst.)}$, are consistent with the theoretical predictions of the Standard Model within $0.6$ standard deviation.

研究动机与目标

• 对 $\bar{B} \to D^* \tau^- \bar{\nu}_\tau$ 衰变中τ轻子的极化进行高精度测量。
• 通过将测得的极化与标准模型预测进行比较，检验 $B$ 衰变中的轻子 universality。
• 搜索可能表明标准模型之外的新物理的偏离。
• 通过极化测量提高 $B$ 衰变对新物理的敏感度。

提出的方法

• 分析使用在 $\varUpsilon(4S)$ 共振态上收集的772 fb$^{-1}$ $e^+e^-$ 碰撞数据。
• τ轻子的极化通过其衰变产物在 $D^*$ 静止参考系中的角分布提取。
• 对 $D^* \to D^0 \pi^-$ 衰变拓扑结构和 $\tau \to \pi^- \pi^0 \nu_\tau$ 衰变运动学进行联合拟合，以提取极化分数。
• 拟合包含信号、交叉馈电、虚假 $D^*$、连续态和背景成分，采用基于全模拟的探测器效应建模。
• 通过控制样本、替代信号模型以及重建和选择标准的变化，评估系统误差。
• 通过 $F_\tau = \frac{1 + \alpha_\tau}{2}$ 从角分布参数 $\alpha_\tau$ 提取极化分数 $F_\tau$。

实验结果

研究问题

• RQ1 在 $\bar{B} \to D^* \tau^- \bar{\nu}_\tau$ 衰变中，τ轻子的极化分数测量值是多少？
• RQ2 测得的极化与标准模型预测相比如何？
• RQ3 $B \to D^* \ell \bar{\nu}_\ell$ 衰变中是否存在显著的轻子 universality 偏离？
• RQ4 该测量对标准模型之外的新物理的敏感度如何？
• RQ5 探测器效应和背景贡献如何影响极化的提取？

主要发现

• 测得的极化分数为 $F_\tau = 0.731 \pm 0.037_{\text{stat}} \pm 0.030_{\text{syst}}$，与标准模型预测一致。
• 结果与标准模型的 $F_\tau \approx 0.73$ 值一致，支持轻子 universality。
• 与以往测量相比，不确定性减小，精度提高了约1.5倍。
• 该分析通过极化观测量展示了对新物理的高敏感度。
• 拟合结果在所有信号区域均显示数据与模拟良好一致，验证了分析方法的可靠性。
• 测得的 $\alpha_\tau = 0.462 \pm 0.074_{\text{stat}} \pm 0.060_{\text{syst}}$ 与标准模型预测的 $\alpha_\tau \approx 0.46$ 一致。