[논문 리뷰] Measurement of the $D^{*}$ longitudinal polarization in $B^0 o D^{*-}τ^{+}ν_τ$ decays

Aaij, R., R. Aaij외 1105명|arXiv (Cornell University)|2023. 01. 01.

Particle physics theoretical and experimental studies인용 수 1

한 줄 요약

이 논문은 √s = 7, 8, 및 13 TeV에서의 pp 충돌 데이터 5 fb⁻¹를 사용하여 LHCb에서 B⁰ → D*⁻τ⁺ν_τ 붕괴에서의 종방향 편광 분율(F_D*^L)에 대한 최초의 측정을 제시한다. 저에너지 q² 영역(<7 GeV²/c⁴)에서 F_D*^L = 0.52 ± 0.07 ± 0.04를 측정하였고, 고에너지 q² 영역(>7 GeV²/c⁴)에서는 F_D*^L = 0.34 ± 0.08 ± 0.02를 측정하였으며, 평균적으로 0.41 ± 0.06 ± 0.03을 얻었으며, 이는 표준모형 예측과 일치한다.

ABSTRACT

The longitudinal polarization fraction of the $D^{*}$ meson is measured in $B^0 o D^{*-}τ^{+}ν_τ$ decays, where the $τ$ lepton decays to three charged pions and a neutrino, using proton-proton collision data collected by the LHCb experiment at center-of-mass energies of 7, 8 and 13 TeV and corresponding to an integrated luminosity of 5 fb$^{-1}$. The $D^{*}$ polarization fraction $F_{L}^{D^{*}}$ is measured in two $q^{2}$ regions, below and above 7 GeV$^{2}/c^{4}$, where $q^{2}$ is defined as the squared invariant mass of the $τν_τ$ system. The $F_{L}^{D^{*}}$ values are measured to be $0.52 \pm 0.07 \pm 0.04$ and $0.34 \pm 0.08 \pm 0.02$ for the lower and higher $q^{2}$ regions, respectively. The first uncertainties are statistical and the second systematic. The average value over the whole $q^{2}$ range is: $$F_{L}^{D^{*}} = 0.41 \pm 0.06 \pm 0.03.$$ These results are compatible with the Standard Model predictions.

연구 동기 및 목표

• 표준모형을 초월한 새로운 물리학에 민감한 핵심 관측량인 B⁰ → D*⁻τ⁺ν_τ 붕괴에서 D* 메손의 종방향 편광 분율 F_D*^L을 측정하기 위해.
• 새로운 스칼라 또는 텐서 연산자가 기여할 수 있는 잠재적 편차를 F_D*^L에서 탐색하기 위해.
• LHC의 런 1 및 런 2에서 확보한 대량 데이터를 활용하여 이전 벨레 실험 결과보다 정밀한 측정을 제공하기 위해.
• 측정된 F_D*^L가 표준모형 예측과 일치하는지 확인하고, R(D*) 비정상성과의 일치성을 테스트하기 위해.

제안 방법

• 측정는 D*⁻의 정지 프레임에서 D⁰ 붕괴 제품의 각도 분포를 사용하며, D⁰ 운동량과 반대 방향 B⁰ 방향 사이의 각도 θ_D로 기술된다.
• 이중 미분 붕괴율은 d²Γ/dq²d cosθ_D = a_θD(q²) + c_θD(q²) cos²θ_D로 모델링되며, q²는 τν_τ 시스템의 진동수 제곱 질량이다.
• F_D*^L(q²)는 F_D*^L(q²) = [a_θD(q²) + c_θD(q²)] / [3a_θD(q²) + c_θD(q²)]를 통해 각도 계수에서 추출된다.
• 분석은 √s = 7, 8, 및 13 TeV에서의 5 fb⁻¹의 pp 충돌 데이터를 사용하며, B⁰ → D*⁻τ⁺ν_τ 및 τ⁺ → π⁺π⁻π⁺(π⁰)ν_τ의 완전한 재구성가 포함된다.
• 두 개의 q² 영역에 걸쳐 cosθ_D 분포에 동시에 피팅을 수행하며, 배경 성분은 제어 샘플과 시뮬레이션을 사용하여 모델링된다.
• 체계적 불확실성은 템플릿 재표본화, 대안 피팅 전략, 신호 및 배경 모델링의 변형을 통해 평가된다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 B⁰ → D*⁻τ⁺ν_τ 붕괴에서 D* 메손의 종방향 편광 분율 F_D*^L는 표준모형 예측과 일치하는가?
• RQ2 R(D*) 비정상성의 맥락에서, 다양한 q² 영역에서 측정된 F_D*^L는 표준모형과의 유의미한 편차를 보이는가?
• RQ3 스칼라 또는 텐서 연산자와 같은 새로운 물리 기여가 q² 전역에서 F_D*^L 분포에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ4 검출기 효과, 배경 모델링, 시뮬레이션 정확도에서 기인하는 체계적 불확실성은 최종 F_D*^L 결정에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ5 LHCb 실험은 이전의 벨레 측정과 비교하여 동일하거나 더 정밀한 F_D*^L 측정을 달성할 수 있는가?

주요 결과

• q² 영역이 7 GeV²/c⁴ 이하인 영역에서 종방향 편광 분율 F_D*^L는 0.52 ± 0.07 (통계) ± 0.04 (체계적)로 측정되었다.
• 높은 q² 영역(>7 GeV²/c⁴)에서는 F_D*^L가 0.34 ± 0.08 (통계) ± 0.02 (체계적)로 측정되었다.
• 전체 q² 범위에서의 평균 F_D*^L는 0.41 ± 0.06 (통계) ± 0.03 (체계적)이며, 두 q² 영역 간 총 상관관계는 -0.18이다.
• 결과는 표준모형 예측(0.43에서 0.46 사이)과 일치하며, 이전 벨레 협력의 F_D*^L = 0.60 ± 0.08 (통계) ± 0.04 (체계적) 측정 결과와도 일치한다.
• 체계적 불확실성은 제한된 템플릿 통계(전체 범위에서 0.019), 신호 선택(0.005), 및 박스 이동(0.007)에 의해 주로 결정된다.
• 이 측정는 B⁰ → D*⁻τ⁺ν_τ 붕괴 진폭이 표준모형과 일치함을 확인하며, 편광 관측량에서 새로운 물리학의 증거를 제공하지 않는다.