[论文解读] Inclusive semileptonic decays of charm and charmed-strange mesons

D. M. Asner|arXiv (Cornell University)|Dec 21, 2009

Particle physics theoretical and experimental studies被引用 1

一句话总结

本研究利用在 $\sqrt{s} = 3.774$ GeV 和 $4.170$ GeV 能量下获取的完整 CLEO-c 数据样本，对 $D^0$、$D^+$ 和 $D^+_s$ 介子的包含型半轻衰变分支比进行了精确测量，得到 $\mathcal{B}(D^0 \to X e^+ \nu_e) = 6.46 \pm 0.09 \pm 0.11\%$，$\mathcal{B}(D^+ \to X e^+ \nu_e) = 16.13 \pm 0.10 \pm 0.29\%$，以及 $\mathcal{B}(D^+_s \to X e^+ \nu_e) = 6.52 \pm 0.39 \pm 0.15\%$。$D^+$ 与 $D^0$ 的半轻衰变宽度之比与同位旋对称性一致，而 $D^+_s$ 的比值因奇异夸克质量效应的影响而偏离 1，符合预期。

ABSTRACT

We have measured the inclusive semileptonic branching fractions of $D^0$, $D^+$, and $D^+_s$ mesons. For these measurements, we have used the full CLEO-c open-charm data samples, 818 pb$^{-1}$ at $E_ ext{CM} = 3.774$ GeV, giving $D^0 \bar{D}^0$ and $D^+ D^-$ events, and 602 pb$^{-1}$ at $E_ ext{CM} = 4.170$ GeV, giving $D^{\ast \pm}_s D^\mp_s$ events. We obtain $\mathcal{B}(D^0 o X e^+ u_e) = (6.46 \pm 0.09 \pm 0.11)$%, $\mathcal{B}(D^+ o X e^+ u_e) = (16.13 \pm 0.10 \pm 0.29)$%, and $\mathcal{B}(D^+_s o X e^+ u_e) = (6.52 \pm 0.39 \pm 0.15)$%, where the first uncertainties are statistical and the second are systematic. From these and lifetimes obtained elsewhere, we obtain the ratios of semileptonic decay widths $\Gamma (D^+ o X e^+ u_e) / \Gamma (D^0 o X e^+ u_e) = 0.985 \pm 0.015 \pm 0.024$ and $\Gamma (D^+_s o X e^+ u_e) / \Gamma (D^0 o X e^+ u_e) = 0.828 \pm 0.051 \pm 0.025$. The ratio of $D^+$ and $D^0$ is consistent with the isospin symmetry prediction of unity, and the ratio of $D^+_s$ and $D^0$ differs from unity, as expected.

研究动机与目标

• 利用高统计量的 CLEO-c 数据样本，测量 $D^0$、$D^+$ 和 $D^+_s$ 介子的包含型半轻衰变分支比。
• 通过比较 $D^+$ 与 $D^0$ 介子的半轻衰变速率，检验同位旋对称性的预测。
• 评估 $D^+_s$ 与 $D^0$ 介子半轻衰变宽度的比值，该比值因奇异夸克质量效应而预期偏离 1。
• 提高 charm 介子半轻衰变参数的精度，以用于 $|V_{cd}|$ 和 $|V_{cs}|$ 的确定。

提出的方法

• 在 $\sqrt{s} = 3.774$ GeV 处采集数据，产生 $D^0 \bar{D}^0$ 对；在 $\sqrt{s} = 4.170$ GeV 处采集数据，产生 $D^{*\pm}_s D^\mp_s$ 对。
• 通过识别高动量电子或正电子，并结合与中微子一致的缺失能量/动量，重建包含型半轻衰变。
• 利用运动学和拓扑变量（包括不变质量与能量约束）抑制背景。
• 通过改变选择标准并使用控制样本，评估系统误差。
• 利用测量的事件产额和已知的重建效率提取分支比。
• 通过分支比和其它实验独立测量的寿命，推导出衰变宽度比。

实验结果

研究问题

• RQ1 什么是 $D^0 \to X e^+ \nu_e$ 的包含型半轻衰变分支比？
• RQ2 什么是 $D^+ \to X e^+ \nu_e$ 的包含型半轻衰变分支比？
• RQ3 什么是 $D^+_s \to X e^+ \nu_e$ 的包含型半轻衰变分支比？
• RQ4 $D^+$ 与 $D^0$ 的半轻衰变宽度如何比较？是否与同位旋对称性一致？
• RQ5 $D^+_s$ 的半轻衰变宽度与 $D^0$ 相比如何？是否如预期那样偏离 1？

主要发现

• $D^0 \to X e^+ \nu_e$ 的包含型半轻衰变分支比测量结果为 $6.46 \pm 0.09 \pm 0.11\%$。
• $D^+ \to X e^+ \nu_e$ 的分支比为 $16.13 \pm 0.10 \pm 0.29\%$，与同位旋对称性预测一致。
• $D^+_s \to X e^+ \nu_e$ 的分支比为 $6.52 \pm 0.39 \pm 0.15\%$，由于统计量有限，不确定性较大。
• 半轻衰变宽度之比 $\Gamma(D^+ \to X e^+ \nu_e) / \Gamma(D^0 \to X e^+ \nu_e)$ 为 $0.985 \pm 0.015 \pm 0.024$，与同位旋对称性预测的 1 一致。
• 比值 $\Gamma(D^+_s \to X e^+ \nu_e) / \Gamma(D^0 \to X e^+ \nu_e)$ 为 $0.828 \pm 0.051 \pm 0.025$，由于奇异夸克质量效应，如预期偏离 1。