[论文解读] Measurement of branching fractions and direct $CP$ asymmetries for $B o K\pi$ and $B o\pi\pi$ decays at Belle II

I. Adachi, L. Aggarwal+436 more|arXiv (Cornell University)|Jan 1, 2023

Particle physics theoretical and experimental studies被引用 2

一句话总结

本论文利用Belle II实验获得的3.87亿对B$$\bar{B}$$粒子，对$B^0 \to K^+\pi^-$、$B^+ \to K^+\pi^0$、$B^+ \to \bar{K}^0\pi^+$、$B^0 \to \bar{K}^0\pi^0$、$B^+ \to \pi^+\pi^0$以及$B^0 \to \pi^+\pi^-$衰变过程中的分支比和直接CP破坏不对称性进行了精确测量。测得的同位旋求和CP不对称性为$-0.03 \pm 0.13 \pm 0.04$，与标准模型预测的零值一致，通过同位旋对称性对新物理提供了严格的检验。

ABSTRACT

We report measurements of the branching fractions and direct $\it{CP}$ asymmetries of the decays $B^0 o K^+ \pi^-$, $B^+ o K^+ \pi^0$, $B^+ o K^0 \pi^+$, and $B^0 o K^0 \pi^0$, and use these for testing the standard model through an isospin-based sum rule. In addition, we measure the branching fraction and direct $\it{CP}$ asymmetry of the decay $B^+ o \pi^+\pi^0$ and the branching fraction of the decay $B^0 o \pi^+\pi^-$. The data are collected with the Belle II detector from $e^+e^-$ collisions at the $\Upsilon(4S)$ resonance produced by the SuperKEKB asymmetric-energy collider and contain $387 imes 10^6$ bottom-antibottom meson pairs. Signal yields are determined in two-dimensional fits to background-discriminating variables, and range from 500 to 3900 decays, depending on the channel. We obtain $-0.03 \pm 0.13 \pm 0.04$ for the sum rule, in agreement with the standard model expectation of zero and with a precision comparable to the best existing determinations.

研究动机与目标

• 利用SuperKEKB对撞机获得的大数据样本，测量无粲$B \to K\pi$和$B \to \pi\pi$衰变过程的分支比与直接CP不对称性。
• 通过基于同位旋的求和规则检验标准模型，该规则预测这些衰变的直接CP不对称性之和为零。
• 提高$B \to K\pi$和$B \to \pi\pi$衰变中CP不对称性的测量精度，从而为标准模型之外的新物理提供敏感探测。
• 通过在背景区分变量上的二维拟合提取信号产额，以减小系统误差。

提出的方法

• 数据在SuperKEKB对撞机的$\Upsilon(4S)$共振能区利用Belle II探测器收集，对应3.87 × 10⁶对$B\bar{B}$粒子，来自e⁺e⁻对撞。
• 通过在包括不变质量与能量差在内的运动学变量上进行二维扩展最大似然拟合，提取信号产额，以抑制本底。
• 应用同位旋求和规则，将$B \to K\pi$和$B \to \pi\pi$衰变的CP不对称性组合，标准模型预测其和为零。
• 通过控制样本、蒙特卡洛模拟和数据驱动方法评估系统误差，确保结果稳健。
• 分析使用basf2软件框架进行事件重建、选择与拟合，完整模拟了探测器响应。
• CP不对称性计算公式为$A_{\rm CP} = (N_{\rm B} - N_{\rm \bar{B}})/(N_{\rm B} + N_{\rm \bar{B}})$，其中$N_{\rm B}$和$N_{\rm \bar{B}}$分别为$B$和$\bar{B}$衰变的产额。

实验结果

研究问题

• RQ1 对于$B^0 \to K^+\pi^-$、$B^+ \to K^+\pi^0$、$B^+ \to \bar{K}^0\pi^+$、$B^0 \to \bar{K}^0\pi^0$、$B^+ \to \pi^+\pi^0$和$B^0 \to \pi^+\pi^-$衰变，其精确的分支比与直接CP不对称性是多少？
• RQ2 测得的同位旋求和CP不对称性与标准模型预测的零值符合程度如何？
• RQ3 CP不对称性求和规则测量的精度能否约束$B$衰变中新物理贡献？
• RQ4 在非因子化QCD振幅与理论不确定性的背景下，观测到的CP不对称性具有何种意义？

主要发现

• 测得的同位旋求和直接CP不对称性为$-0.03 \pm 0.13 \pm 0.04$，与标准模型预测的零值一致。
• 求和规则测量的精度与现有最佳结果相当，表明Belle II数据质量优异。
• 各通道的信号产额在500至3900次之间，表明统计量充足，可实现高精度测量。
• $B \to K\pi$和$B \to \pi\pi$衰变的分支比与CP不对称性测量结果，统计与系统误差均得到改善。
• 该分析证实了在同位旋对称性与CP破坏背景下，数据与标准模型的一致性。
• 结果为非轻子$B$衰变提供了严格检验，并对标准模型之外的新物理贡献施加了约束。