[논문 리뷰] Measurement of the $τ$ lepton polarization in the decay ${\bar B} ightarrow D^* τ^- {\bar ν_τ}$

A. Abdesselam, I. Adachi외 450명|arXiv (Cornell University)|2016. 08. 23.

Particle physics theoretical and experimental studies인용 수 26

한 줄 요약

이 논문은 벨 실험에서 확보한 77200만 개의 $B\bar{B}$ 사건을 사용하여 $\bar{B} \to D^* \tau^- \bar{\nu}_\tau$ 붕괴에서 $\tau$ 렙톤 투자도($P_\tau$)의 최초 측정을 제시한다. 결과로는 $P_\tau = -0.44 \pm 0.47~(\text{통계적})^{+0.20}_{-0.17}~(\text{계측오차})$이며, 이는 표준모형 예측과 0.6$\sigma$ 수준에서 일치하며, $B$ 붕괴에서 렙톤 대칭성의 정밀도 시험을 제공한다.

ABSTRACT

We report the first measurement of the $τ$ lepton polarization in the decay ${\bar B} ightarrow D^* τ^- {\barν_τ}$ as well as a new measurement of the ratio of the branching fractions $R(D^{*}) = \mathcal{B}({\bar B} ightarrow D^* τ^- {\barν_τ}) / \mathcal{B}({\bar B} ightarrow D^* \ell^- {\barν_{\ell}})$, where $\ell^-$ denotes an electron or a muon, with the decays $τ^- ightarrow π^- ν_τ$ and $τ^- ightarrow ρ^- ν_τ$. 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 $P_τ = -0.44 \pm 0.47 { m (stat.)} ^{+0.20} _{-0.17} { m (syst.)}$, are consistent with the theoretical predictions of the Standard Model within $0.6$ standard deviation.

연구 동기 및 목표

• 최초로 $\bar{B} \to D^* \tau^- \bar{\nu}_\tau$ 붕괴에서 $\tau$ 렙톤 투자도를 측정하기 위해.
• 정밀 측정을 통한 $B$ 붕괴에서의 렙톤 대칭성 검증과 표준모형 이외의 새로운 물리학 탐색을 위해.
• 하드론적 $\tau$ 붕괴 모드를 사용하여 $R(D^*)$ 비율의 정밀도를 향상시키기 위해.
• $R(D^*)$–$P_\tau$ 평면에서 측정된 $P_\tau$ 가 표준모형 예측과 일치하는지 평가하기 위해.

제안 방법

• KEKB $e^+e^-$ 충돌기에서 벨 검출기로 확보한 77200만 개의 $B\bar{B}$ 사건을 사용한다.
• 신호 사건은 $\tau^- \to \pi^- \nu_\tau$ 및 $\tau^- \to \rho^- \nu_\tau$ 와 같은 하드론적 붕괴를 사용하여 재구성한다.
• $\bar{B}^0$, $B^-$ 붕괴에서 $D^*$ 가 $\pi^-$ 또는 $\rho^-$ 를 포함하는 네 가지 신호 샘플에 동시에 피팅하여 $R(D^*)$ 와 $P_\tau$ 를 추출한다.
• 피팅은 헬리시티 각도 $\cos\theta_{\rm hel}$ 분포를 사용하여 신호와 배경을 분리하고 $P_\tau$ 를 추출한다.
• 선택 기준, 배경 모델링, 검출기 반응을 변화시켜 계측오차를 평가한다.
• $R(D^*)$ 와 $P_\tau$ 는 모든 샘플에서 공통 피팅 파rameter로 간주되며, 통계적 오차는 상관관계가 있다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 $\bar{B} \to D^* \tau^- \bar{\nu}_\tau$ 붕괴에서 측정된 $\tau$ 렙톤 투자도의 값은 무엇인가요?
• RQ2 측정된 $P_\tau$ 는 표준모형 예측과 어떻게 비교되나요?
• RQ3 측정된 $R(D^*)$ 는 표준모형과 일치하는가? 그리고 $P_\tau$ 와 어떻게 상관관계가 있나요?
• RQ4 통합된 $R(D^*)$–$P_\tau$ 측정 결과는 표준모형에서의 편차를 보여주는가?

주요 결과

• 측정된 $\tau$ 렙톤 투자도는 $P_\tau = -0.44 \pm 0.47~(\text{통계적})^{+0.20}_{-0.17}~(\text{계측오차})$ 이다.
• 결과는 표준모형 예측과 0.6$\sigma$ 수준에서 일치한다.
• 측정된 $R(D^*) = 0.276 \pm 0.034~(\text{통계적})^{+0.029}_{-0.026}~(\text{계측오차})$ 는 표준모형과 일치한다.
• 통합된 $R(D^*)$–$P_\tau$ 측정 결과는 표준모형에서의 유의미한 편차를 보이지 않는다.
• 신호 및 배경 분포를 $\cos\theta_{\rm hel}$ 밴드별로 상세히 비교함으로써 피팅 결과의 타당성을 검증하였다.
• 통계적 오차와 계측오차는 잘 제어되어 있으며, 공통 피팅 파rameter로 인해 샘플 간 상관관계가 있다.