[論文レビュー] Study of Dynamics of $D^0 o K^- e^+ ν_{e}$ and $D^0 oπ^- e^+ ν_{e}$ Decays

BESIII Collaboration, F. De Mori+403 more|arXiv (Cornell University)|Aug 30, 2015

Quantum Chromodynamics and Particle Interactions被引用数 7

ひとこと要約

本研究では、BESIII検出器を用いて $√{s} = 3.773$ GeV で取得した 2.92 fb$^{-1}$ のデータを用い、$D^0 \to K^- e^+ \nu_e$ および $D^0 \to \pi^- e^+ \nu_e$ 衰えの形因子と分岐比について、これまでで最も高精度な測定を実施した。解析から $f_+^K(0) = 0.7368 \pm 0.0026 \pm 0.0036$ および $f_+^\pi(0) = 0.6372 \pm 0.0080 \pm 0.0044$ が得られ、これにより $|V_{cs}| = 0.9601 \pm 0.0033 \pm 0.0047 \pm 0.0239$ および $|V_{cd}| = 0.2155 \pm 0.0027 \pm 0.0014 \pm 0.0094$ が得られた。後者の不確かさは理論的形因子誤差が支配的である。

ABSTRACT

In an analysis of a 2.92~fb$^{-1}$ data sample taken at 3.773~GeV with the BESIII detector operated at the BEPCII collider, we measure the absolute decay branching fractions to be $\mathcal B(D^0 o K^-e^+ν_e)=(3.505\pm 0.014 \pm 0.033)\%$ and $\mathcal B(D^0 o π^-e^+ν_e)=(0.295\pm 0.004\pm 0.003)\%$. From a study of the differential decay rates we obtain the products of hadronic form factor and the magnitude of the CKM matrix element $f_{+}^K(0)|V_{cs}|=0.7172\pm0.0025\pm 0.0035$ and $f_{+}^π(0)|V_{cd}|=0.1435\pm0.0018\pm 0.0009$. Combining these products with the values of $|V_{cs(d)}|$ from the SM constraint fit, we extract the hadronic form factors $f^K_+(0) = 0.7368\pm0.0026\pm 0.0036$ and $f^π_+(0) = 0.6372\pm0.0080\pm 0.0044$, and their ratio $f_+^π(0)/f_+^{K}(0)=0.8649\pm 0.0112\pm 0.0073$. These form factors and their ratio are used to test unquenched Lattice QCD calculations of the form factors and a light cone sum rule (LCSR) calculation of their ratio. The measured value of $f_+^{K(π)}(0) |V_{cs(d)}|$ and the lattice QCD value for $f^{K(π)}_+(0)$ are used to extract values of the CKM matrix elements of $|V_{cs}|=0.9601 \pm 0.0033 \pm 0.0047 \pm 0.0239$ and $|V_{cd}|=0.2155 \pm 0.0027 \pm 0.0014 \pm 0.0094$, where the third errors are due to the uncertainties in lattice QCD calculations of the form factors. Using the LCSR value for $f_+^π(0)/f_+^K(0)$, we determine the ratio $|V_{cd}|/|V_{cs}|=0.238\pm 0.004\pm 0.002\pm 0.011$, where the third error is from the uncertainty in the LCSR normalization. In addition, we measure form factor parameters for three different theoretical models that describe the weak hadronic charged currents for these two semileptonic decays. All of these measurements are the most precise to date.

研究の動機と目的

• 大規模なデータサンプルを用いて、$D^0 \to K^- e^+ \nu_e$ および $D^0 \to \pi^- e^+ \nu_e$ 衰えの分岐比をより高精度に測定すること。
• $q^2$ に依存する形因子 $f_+^{K}(q^2)$ および $f_+^{\pi}(q^2)$ を測定すること。
• 測定された形因子と格子QCD計算を組み合わせることで、CKM行列要素 $|V_{cs}|$ と $|V_{cd}|$ を抽出すること。
• 形因子の形状パラメータに関する理論的モデルの妥当性を検証し、その物理的解釈を評価すること。
• 将来の格子QCDおよびライトコンデンサールーム計算との比較に役立つ高精度なデータを提供すること。

提案手法

• 解析には、BEPCIIにおけるBESIII検出器を用いて $√{s} = 3.773$ GeV で取得した 2.92 fb$^{-1}$ の $e^+e^-$ 衝突データを用いた。
• 信号イベントは、単一の $\bar{D}^0$ タグを用いたリcoilタグ法により特定した。これにより $D^0 \to K^- e^+ \nu_e$ および $D^0 \to \pi^- e^+ \nu_e$ 衰えを再構築した。
• 部分的崩壊率は、$q^2$ の関数として、単一極、修正極、および二パラメータ級数展開といった複数の形因子パラメータ化手法を用いてフィットした。
• 二パラメータ級数展開は、データとの整合性が高く、モデル依存性が小さいことから、$f_+^{K}(0)$ および $f_+^{\pi}(0)$ の抽出に主たるモデルとして選択された。
• 格子QCDによる形因子計算を用いて、測定された $f_+^{K}(0)|V_{cs}|$ および $f_+^{\pi}(0)|V_{cd}|$ の積から $|V_{cs}|$ と $|V_{cd}|$ を抽出した。
• 系統的不確かさは、選択基準、バックグラウンドモデル、および形因子パラメータ化の変更を用いて評価した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 $D^0 \to K^- e^+ \nu_e$ および $D^0 \to \pi^- e^+ \nu_e$ 衰えの、$q^2$ に依存する形因子 $f_+^{K}(q^2)$ および $f_+^{\pi}(q^2)$ の最も高精度な値は何か？
• RQ2 測定された $f_+^{K}(0)$ および $f_+^{\pi}(0)$ の値は、単一極および修正極モデルによる理論的予想とどのように一致するか？
• RQ3 実験的形因子と格子QCD計算を組み合わせた場合、CKM行列要素 $|V_{cs}|$ と $|V_{cd}|$ の値は何か？
• RQ4 データは、標準的形因子モデルにおける形状パラメータの物理的解釈をどの程度支持するか？
• RQ5 測定された分岐比および形因子は、ライトコンデンサールーム予測および格子QCD予測とどのように一致するか？

主な発見

• $D^0 \to K^- e^+ \nu_e$ の分岐比は、$\mathcal{B}(D^0 \to K^- e^+ \nu_e) = (3.505 \pm 0.014 \pm 0.033)\%$ と測定され、これまでで最も高精度な値となった。
• $D^0 \to \pi^- e^+ \nu_e$ の分岐比は、$\mathcal{B}(D^0 \to \pi^- e^+ \nu_e) = (0.295 \pm 0.004 \pm 0.003)\%$ と測定され、これもこれまでで最も高精度な値となった。
• 二パラメータ級数展開を用いて、零運動量転送における形因子は $f_+^K(0) = 0.7368 \pm 0.0026 \pm 0.0036$ と決定された。
• πモードにおける零運動量転送における形因子は $f_+^\pi(0) = 0.6372 \pm 0.0080 \pm 0.0044$ であり、最大の不確かさは統計的サンプルに起因する。
• $f_+^K(0)|V_{cs}| = 0.7172 \pm 0.0025 \pm 0.0035$ は、これまでで最も高精度な測定であり、相対不確かさは $0.35\%$ であった。
• 格子QCD形因子を用いることで、CKM行列要素は $|V_{cs}| = 0.9601 \pm 0.0033 \pm 0.0047 \pm 0.0239$ および $|V_{cd}| = 0.2155 \pm 0.0027 \pm 0.0014 \pm 0.0094$ と抽出された。ここで、主な不確かさは理論的形因子誤差に起因する。