[论文解读] Determination of the branching fractions of $B_{s}^{0} o D_{s}^{\mp} K^{\pm}$ and $B^{0} o D_{s}^{-} K^{+}$

LHCb collaboration, R. Aaij+703 more|arXiv (Cornell University)|Dec 24, 2014

Particle physics theoretical and experimental studies参考文献 19被引用 4

一句话总结

本论文利用LHCb实验在$\sqrt{s} = 7$和$8$ TeV下采集的3.0 fb$^{-1}$质子-质子碰撞数据，对$B_s^0 \to D_s^\mp K^\pm$和$B^0 \to D_s^- K^+$衰变的分支分支比进行了精确测量。测量得到的比值$\mathcal{B}(B_s^0 \to D_s^\mp K^\pm)/\mathcal{B}(B_s^0 \to D_s^- \pi^+) = 0.0752 \pm 0.0015 \pm 0.0019$为迄今最精确结果，为检验$B$衰变中的$C\!P$破坏和$W$-交换贡献提供了关键输入。

ABSTRACT

Measurements are presented of the branching fractions of the decays $B_{s}^{0} o D_{s}^{\mp} K^{\pm}$ and $B^{0} o D_{s}^{-} K^{+}$ relative to the decays $B_{s}^{0} o D_{s}^{-} π^{+}$ and $B^{0} o D^{-} π^{+}$, respectively. The data used correspond to an integrated luminosity of 3.0 fb$^{-1}$ of proton-proton collisions. The ratios of branching fractions are $\dfrac{\mathcal{B}(B_{s}^{0} o D_{s}^{\mp} K^{\pm})}{\mathcal{B}(B_{s}^{0} o D_{s}^{-} π^{+})} = 0.0752 \pm 0.0015 \pm 0.0019$ and $\dfrac{\mathcal{B}(B^{0} o D_{s}^{-} K^{+})}{\mathcal{B}(B^{0} o D^{-} π^{+})} = 0.0129 \pm 0.0005 \pm 0.0008,$ where the uncertainties are statistical and systematic, respectively.

研究动机与目标

• 测量$B_s^0 \to D_s^\mp K^\pm$相对于$B_s^0 \to D_s^- \pi^+$的分支比，以探测$C\!P$破坏和CKM角$\gamma$。
• 确定$B^0 \to D_s^- K^+$相对于$B^0 \to D^- \pi^+$的分支比，以评估$B$衰变中$W$-交换振幅的大小。
• 提高$B_s^0 \to D_s^\mp K^\pm$和$B^0 \to D_s^- K^+$绝对分支比的精度，使其不确定性低于世界平均值。
• 检验基于SU(3)味对称性和$W$-交换贡献的理论预测，特别是在$B_s^0$衰变中的适用性。

提出的方法

• 分析使用了LHCb探测器在$\sqrt{s} = 7$和$8$ TeV下采集的3.0 fb$^{-1}$ $pp$碰撞数据。
• 利用多变量算法重建衰变顶点，以识别来自$b$-强子衰变的次级顶点，其相对于主顶点有显著位移。
• 通过公式$\mathcal{B}(B_s^0 \to D_s^\mp K^\pm)/\mathcal{B}(B_s^0 \to D_s^- \pi^+) = \varepsilon_{K}/\varepsilon_{\pi} \cdot f_K/f_\pi \cdot N_K/N_\pi \cdot \mathcal{B}(D_s^\mp \to K^\pm \pi^\mp \pi^\mp)/\mathcal{B}(D_s^- \to K^+ K^- \pi^-)$提取分支比，其中输入分支比采用世界平均值。
• 通过专用控制样本和重建与选择标准的变化评估系统性不确定性。
• 通过将测量得到的比值与参考衰变的世界平均分支比结合，推导出绝对分支比。
• 利用模拟和数据驱动方法确定效率与接受度修正，并通过控制衰变进行验证。

实验结果

研究问题

• RQ1 与$B_s^0 \to D_s^- \pi^+$相比，$B_s^0 \to D_s^\mp K^\pm$的分支比精确值是多少？其与理论预期的符合程度如何？
• RQ2 $B^0 \to D_s^- K^+$的绝对分支比是多少？与BaBar和Belle的先前测量结果相比有何差异？
• RQ3 从$B^0 \to D_s^- K^+$衰变相对于$B^0 \to D^- \pi^+$的分支比抑制程度来看，$W$-交换图贡献在该衰变中占多大比例？
• RQ4 SU(3)对称性预测在多大程度上能准确描述$B_s^0 \to D_s^\mp K^\pm$衰变率相对于$\pi^+$模式的比值？
• RQ5 本测量对$B_s^0 \to D_s^\mp K^\pm$衰变振幅中$C\!P$破坏和混合干扰效应的约束如何？

主要发现

• 测量得到的比值$\mathcal{B}(B_s^0 \to D_s^\mp K^\pm)/\mathcal{B}(B_s^0 \to D_s^- \pi^+) = 0.0752 \pm 0.0015 \text{ (统计)} \pm 0.0019 \text{ (系统)}$为迄今最精确结果，与理论预测$0.086^{+0.009}_{-0.007}$一致。
• $B_s^0 \to D_s^\mp K^\pm$的绝对分支比测量为$(2.29 \pm 0.05 \text{ (统计)} \pm 0.06 \text{ (系统)} \pm 0.17 \text{ (分支比输入)}) \times 10^{-4}$，其中最后一项不确定性来自输入分支比的误差。
• 比值$\mathcal{B}(B^0 \to D_s^- K^+)/\mathcal{B}(B^0 \to D^- \pi^+) = 0.0129 \pm 0.0005 \text{ (统计)} \pm 0.0007 \text{ (系统)} \pm 0.0004 \text{ (分支比输入)}$证实了$W$-交换图预期的抑制效应。
• $B^0 \to D_s^- K^+$的绝对分支比为$(3.45 \pm 0.14 \text{ (统计)} \pm 0.20 \text{ (系统)} \pm 0.20 \text{ (分支比输入)}) \times 10^{-5}$，比Belle的测量结果大超过三个标准差。
• 测量得到的$B_s^0 \to D_s^\mp K^\pm$比值与基于SU(3)对称性的预测一致，且处于$0.080 \pm 0.007$的下限范围内，表明该衰变道中无显著的新物理效应。
• $B_s^0 \to D_s^- \pi^+$分支比的测量结果为$\mathcal{B} = (2.95 \pm 0.01 \text{ (统计)}) \times 10^{-3}$，与世界平均值一致，验证了分析方法的可靠性。