[论文解读] A model-independent measurement of the CKM angle $γ$ in partially reconstructed $B^{\pm} o D^{*} h^{\pm}$ decays with $D o K_{S}^{0} h^{+}h^{-}$ $(h=π, K)$

LHCb Collaboration, A. S. W. Abdelmotteleb+1107 more|arXiv (Cornell University)|Jan 1, 2023

Particle physics theoretical and experimental studies被引用 1

一句话总结

本论文通过部分重建的 B± → D∗h± 衰变，实现了一种模型无关的 CKM 角 γ 测量，其中 D∗→Dγ/π⁰ 衰变产物未被重建。利用 √s = 7、8 和 13 TeV 下 LHC 的 pp 碰撞数据（9 fb⁻¹），并结合 BESIII 和 CLEO 的强相位输入，研究报告得到 γ = (92⁺²¹₋₁₇)°，统计不确定性为主要贡献来源，为 B 衰变中 CP 破坏提供了新的约束。

ABSTRACT

A measurement of $C\!P$-violating observables in $B^{\pm} o D^{*} K^{\pm}$ and $B^{\pm} o D^{*} π^{\pm}$ decays is made where the photon or neutral pion from the $D^{*} o Dγ$ or $D^{*} o Dπ^{0}$ decay is not reconstructed. The $D$ meson is reconstructed in the self-conjugate decay modes, $D o K_{S}^{0} π^{+} π^{-}$ or $D o K_{S}^{0} K^{+} K^{-}$. The distribution of signal yields in the $D$ decay phase space is analysed in a model-independent way. The measurement uses a data sample collected in proton-proton collisions at centre-of-mass energies of 7, 8, and 13 TeV, corresponding to a total integrated luminosity of approximately 9 fb$^{-1}$. The $B^{\pm} o D^{*} K^{\pm}$ and $B^{\pm} o D^{*} π^{\pm}$ $C\!P$-violating observables are interpreted in terms of hadronic parameters and the CKM angle $γ$, resulting in a measurement of $γ= (92^{+21}_{-17})^{\circ}$. The total uncertainty includes the statistical and systematic uncertainties, and the uncertainty due to external strong-phase inputs.

研究动机与目标

• 通过避免依赖幅度模型的模型无关方法，测量 B± → D∗h± 衰变中的 CKM 角 γ。
• 通过直接从数据中测量强子参数，减少理论不确定性，最小化非微扰强子效应的影响。
• 通过分析部分重建的 D∗ 介子的 D → K₀Sπ⁺π⁻ 和 D → K₀SK⁺K⁻ 衰变的 Dalitz 图分布，改进对 γ 的约束。
• 利用 BESIII 和 CLEO 实验的强相位输入，可靠估计系统性不确定性的大小。
• 提供与先前 LHCb 结果互补的测量，有助于解决从多重解中确定 γ 时存在的歧义。

提出的方法

• 采用部分重建的 B± → D∗h± 衰变，其中 D∗→Dγ 或 D∗→Dπ⁰ 的光子或中性 pion 未被重建，从而提高信号效率。
• 在 D → K₀Sh⁺h⁻ 衰变相空间（s⁺ = m²(K₀Sh⁺)，s⁻ = m²(K₀Sh⁻)）的 Dalitz 图箱中分析信号产额，使用 2×N 个对称箱，排除零值区域。
• 采用模型无关方法，结合 BESIII 和 CLEO 实验测量的强相位信息，这些信息通过在 ψ(3770) 产生的量子关联 D⁰D̄⁰ 对获得。
• 利用不变质量组合 m(Dh) 区分 D∗→Dγ 和 D∗→Dπ⁰ 衰变，基于自旋-宇称结构特征。
• 对 B⁺ 和 B⁻ 衰变的 Dalitz 图分布进行联合拟合，以提取 CP 破坏可观测量 ξD∗h = (xD∗h, yD∗h)，其与 γ 的关系通过强子参数 rB 和 δB 表达。
• 综合统计不确定性、实验系统性不确定性和外部强相位不确定性，构建完整的误差预算，以确定最终的 γ 值。

实验结果

研究问题

• RQ1 是否可以在不依赖幅度模型的前提下，对部分重建的 B± → D∗h± 衰变实现 CKM 角 γ 的模型无关测量？
• RQ2 与完全重建分析相比，省略 D∗ 衰变产物（γ 或 π⁰）对 γ 测量的灵敏度和本底水平有何影响？
• RQ3 BESIII 和 CLEO 提供的强相位输入在多大程度上提高了 γ 测量中系统性不确定性的可靠性？
• RQ4 与先前的 LHCb 测量结果和全局 CKM 拟合相比，本研究结果在解决多重解带来的歧义方面表现如何？
• RQ5 背景贡献（特别是 B± → Dρ±）对 D∗π± 衰变中 rB 和 δB 参数精度有何影响？

主要发现

• 测量结果为 γ = (92⁺²¹₋₁₇)°，总不确定性主要由统计涨落主导。
• 由于部分重建提高了信号效率，rD∗K_B 的不确定性比以往 LHCb 分析结果减小了 30%。
• 由于 B± → Dρ± 背景占主导且在重建 D∗ 衰变产物时被抑制，rD∗π_B 的不确定性显著增大（几乎为文献 [19] 中值的两倍）。
• 在 68.3% 和 95.5% 置信水平下的 γ 置信区间与先前 LHCb 结果及全局 CKM 拟合结果一致，未发现显著张力。
• 该测量为 γ 及相关强子参数提供了新的、独立的约束，有助于解决早期分析中因多重解带来的歧义。
• 直接使用 BESIII 和 CLEO 提供的强相位输入，减少了模型依赖的系统性不确定性，提升了 γ 确定的可靠性。