[논문 리뷰] Semitauonic B decays at Belle/Belle II

K. Adamczyk|arXiv (Cornell University)|2019. 01. 18.

Particle physics theoretical and experimental studies인용 수 12

한 줄 요약

이 논문은 벨 실험에서 확보한 7억 7,200만 개의 $B\bar{B}$ 쌍을 이용해 $B^0 \to D^{*-} \tau^+ \nu_\tau$ 붕괴에서 처음으로 $D^{*}$의 극화를 측정한다. 종단 상태의 종류에 따라 $F_L^{D^*} = 0.60 \pm 0.08$ (통계) $\pm 0.04$ (계측)로 측정되었으며, 이는 표준모형 예측과 일치한다. 향후 벨 II 실험 데이터는 $R(D^{(*)})$, $P_\tau^{D^*}$, $F_L^{D^*}$의 정밀도를 크게 향상시켜 셀프타우닉 $B$ 붕괴에서 새로운 물리학을 탐색할 수 있게 된다.

ABSTRACT

It is experimentally observed that ratios of branching fractions for semitauonic and semileptonic $B$ decays, known as the $R(D^{(*)})$, are higher than Standard Model (SM) predictions. The $B o \bar{D}^{(*)} τ^{+} ν_τ$ decays, except for the branching fractions, offer also other observables, in particular, angular observables may determine spin structure of a potential New Physics (NP) providing some clues to explain the $R(D^{(*)})$ puzzle. In this review, polarization measurements in $B o \bar{D}^{*} τ^{+} ν_τ$ decays at Belle are presented and prospects for measurements of characteristics of semitauonic $B$ decays at Belle/Belle II are described.

연구 동기 및 목표

• 표준모형을 초월한 잠재적 새로운 물리학을 탐색하기 위해 $B^0 \to D^{*-} \tau^+ \nu_\tau$ 붕괴에서 $D^{*}$ 극화 분율 $F_L^{D^*}$를 측정하는 것.
• 측정된 분해율 비율이 표준모형 예측을 2.3–3.0 표준편차 이상 초과하는 오랜 동안 지속된 $R(D^{(*)})$ 이질현상에 대응하는 것.
• 향후 벨 II 실험 데이터와 고도의 재구성 기술을 통해 $R(D)$와 $R(D^*)$의 정밀도를 향상시키는 것.
• 레프톤과 벡터 메손의 극화와 같은 각도 관측량을 분석하여 새로운 물리학 모형을 구분하는 것.
• 고통계량의 벨 II 실험 데이터를 활용해 $R(D)$, $R(D^*)$, $R(D^{**})$를 동시에 결정함으로써 체계적 오차를 줄이는 것.

제안 방법

• 고순도와 완전한 운동량 재구성을 확보하기 위해 전체 재구성 태깅(FR) 기법을 사용하여 배경 $B$ 붕괴 모드를 독립적으로 재구성하였다.
• BASF2 소프트웨어 프레임워크 내에서 Boosted-Decision Tree(BDT) 분류기를 사용한 다변량 분석을 통해 신호 효율성 향상과 배경 억제를 달성하였다.
• $D^{*}$ 극화를 헬리시티 각도 $\theta_{\text{hel}}^{D^*}$를 통해 재구성하였으며, 이는 $D^{*}$의 정지 프레임에서 $D$ 메손 운동량과 $B$의 운동 방향 사이의 각도로 정의된다.
• $\tau \to \pi \nu_\tau$ 붕괴에서 $\tau$의 극화는 $\tau$의 정지 프레임에서의 헬리시티 각도 $\theta_{\text{hel}}^{\tau}$를 측정함으로써 이루어졌다.
• 특히 $F_L^{D^*}$ 결정에 있어 효율을 높이기 위해 $B_{\text{tag}}$의 포함적 재구성을 적용하였다.
• 5 ab$^{-1}$ 및 50 ab$^{-1}$의 벨 II 실험 데이터를 기반으로 향후 정밀도를 예측하였으며, 통계적 및 체계적 오차는 표 1에 정량화되어 있다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 측정된 $B^0 \to D^{*-} \tau^+ \nu_\tau$ 붕괴에서의 종방향 극화 분율 $F_L^{D^*}$는 얼마이며, 표준모형 예측과 어떻게 비교되는가?
• RQ2 $R(D^{(*)})$ 이질현상은 새로운 물리학으로 설명될 수 있으며, 극화 관측량은 이러한 모형을 어떻게 구분하는 데 기여하는가?
• RQ3 벨 II에서 증가된 루미노시티와 향상된 재구성 효율성은 $R(D^{(*)})$, $P_\tau^{D^*}$, $F_L^{D^*}$의 정밀도를 어떻게 향상시키는가?
• RQ4 $R(D^{(*)})$ 측정에서 지배적인 체계적 오차는 무엇이며, 향후 데이터와 분석 기술로 어떻게 감소시킬 수 있는가?
• RQ5 $R(D)$, $R(D^*)$, $R(D^{**})$의 동시 측정은 셀프타우닉 $B$ 붕괴에서 새로운 물리학 기여를 어떻게 분리하는 데 도움이 되는가?

주요 결과

• $B^0 \to D^{*-} \tau^+ \nu_\tau$ 붕괴에서 $D^{*}$의 종방향 극화 분율은 $F_L^{D^*} = 0.60 \pm 0.08$ (통계) $\pm 0.04$ (계측)로 측정되었으며, 표준모형 예측인 $0.457 \pm 0.010$과 일치한다.
• 측정된 $F_L^{D^*}$ 값은 표준모형 추정치의 1.6–1.8 표준편차 이내에 위치하여 현재로서는 표준모형과의 심각한 이질성이 없음을 시사한다.
• 50 ab$^{-1}$의 데이터로 벨 II는 $R(D)$의 상대 오차를 2% 이내, $R(D^*)$의 상대 오차를 1% 이내로 줄일 것으로 예상되며, 이는 주로 체계적 오차에 의해 결정된다.
• 50 ab$^{-1}$의 데이터로 $P_\tau^{D^*}$(타우의 극화)의 정밀도는 $\pm 0.06$ (통계) $\pm 0.04$ (계측)에 도달할 것으로 기대되며, 이는 새로운 물리학 모형의 민감한 검증을 가능하게 한다.
• 50 ab$^{-1}$의 데이터로 $F_L^{D^*}$의 정밀도는 통계 오차 $\pm 0.01$, 체계적 오차 $\pm 0.04$ 수준에 도달할 것으로 예상되며, 이는 벨 실험의 태깅 및 재구성 성능과 유사한 조건을 가정한다.
• $R(D^{(*)})$ 측정에서 주요 체계적 오차의 원인은 $D^{**}$ 성분의 분해율과 중성 입자를 포함한 다입자 $B$ 붕괴의 분해율이며, 향후 벨 II 실험 데이터로 이들 값은 더 잘 제약을 받을 수 있을 것이다.