[论文解读] Measurement of Ds+ to mu+ nu and the Decay constant f_Ds

M. Artuso, Collaboration, CLEO|ArXiv.org|Jul 26, 2006

Particle physics theoretical and experimental studies参考文献 6被引用 3

一句话总结

本论文利用 CLEO-c 探测器在 $\sqrt{s} = 4.17$ GeV 能量下测量了 $D_s^+ \to \mu^+ \nu$ 和 $D_s^+ \to \tau^+ \nu$ 衰变过程，首次以最高精度测量了 $D_s^+$ 介子的衰变常数 $f_{D_s^+}$。测得的 $f_{D_s^+} = 282 \pm 16 \pm 7$ MeV 以及比值 $f_{D_s^+}/f_{D^+} = 1.27 \pm 0.12 \pm 0.03$ 与格点 QCD 预测一致，并通过消除对 $\mathcal{B}(D_s^+ \to \phi\pi^+)$ 的归一化依赖，显著提升了先前结果的精度。

ABSTRACT

We examine e+e- to Ds- Ds*+ or Ds-* Ds+ collisions at 4170 MeV using the CLEO-c detector in order to measure the decay constant f_Ds+. We use the Ds+ to ell+ nu channel, where the ell+ designates either a mu+ or a tau+. Analyzing both modes simultaneously, we determine B(D_s^+ to mu+ nu)= (0.657 +- 0.090 +- 0.028)%, B(D_s^+ to tau+ nu)= (7.1 +- 1.4 +- 0.3)%, and extract f_Ds+ = 282 +- 16 +- 7 MeV. Combining with our previous determination of B(D+ to mu+ nu), we find that the ratio f_Ds+/f_D+ = 1.27 +- 0.12 +- 0.03. (All new results here are preliminary.) We compare with current theoretical estimates.

研究动机与目标

• 以高精度测量 $D_s^+$ 介子的轻子衰变分支比 $\mathcal{B}(D_s^+ \to \mu^+\nu)$ 和 $\mathcal{B}(D_s^+ \to \tau^+\nu)$。
• 在不依赖归一化模式 $\mathcal{B}(D_s^+ \to \phi\pi^+)$ 的前提下提取衰变常数 $f_{D_s^+}$，从而消除此前引入的较大系统误差。
• 通过测定比值 $f_{D_s^+}/f_{D^+}$ 来检验 Cabibbo-Kobayashi-Maskawa 矩阵元比值 $|V_{cd}/V_{cs}|$ 的理论预测。
• 将测量得到的 $f_{D_s^+}$ 和 $f_{D_s^+}/f_{D^+}$ 与当前格点 QCD 及其他理论模型进行比较。

提出的方法

• 分析基于 $\sqrt{s} = 4.17$ GeV 能量下的 $e^+e^-$ 对撞，产生 $D_s^+D_s^{*+}$ 或 $D_s^{*-}D_s^+$ 最终态，过程为 $e^+e^- \to D_s^-D_s^{*+}$。
• 在 $D_s^+ \to \ell^+ \nu$ 衰变中重建带电轻子（$\mu^+$、$\tau^+$），其中 $\tau^+ \to \pi^+ \bar{\nu}$ 用于 $\tau$ 粒子的识别。
• 利用衰变宽度公式 $\Gamma(D_s^+ \to \ell^+ \nu) = \frac{G_F^2}{8\pi} f_{D_s^+}^2 m_\ell^2 M_{D_s^+} \left(1 - \frac{m_\ell^2}{M_{D_s^+}^2}\right)^2 |V_{cs}|^2$，从测量的分支比中提取 $f_{D_s^+}$。
• 通过同时分析 $\mu^+\nu$ 和 $\tau^+\nu$ 模式，最小化系统误差，降低对外部归一化模式的依赖。
• 通过结合 CLEO-c 之前对 $f_{D^+}$ 的测量结果，提取 $f_{D_s^+}/f_{D^+}$ 比值，从而在一定程度上抵消系统误差。

实验结果

研究问题

• RQ1 $D_s^+$ 衰变常数 $f_{D_s^+}$ 的精确值是多少？其与格点 QCD 预测相比如何？
• RQ2 比值 $f_{D_s^+}/f_{D^+}$ 是多少？它是否与 $|V_{cd}/V_{cs}|$ 矩阵元比值的理论预期一致？
• RQ3 通过避免对 $\mathcal{B}(D_s^+ \to \phi\pi^+)$ 进行归一化，能否以更低的系统误差测量 $D_s^+ \to \mu^+\nu$ 和 $D_s^+ \to \tau^+\nu$ 的分支比？
• RQ4 测量得到的分支比和 $f_{D_s^+}$ 与以往实验结果及理论模型相比如何？

主要发现

• 测得的 $D_s^+ \to \mu^+\nu$ 分支比为 $\mathcal{B}(D_s^+ \to \mu^+\nu) = (0.657 \pm 0.090 \pm 0.028)\%$，总不确定度为 $\pm 0.095\%$。
• 测得的 $D_s^+ \to \tau^+\nu$ 分支比为 $\mathcal{B}(D_s^+ \to \tau^+\nu) = (7.1 \pm 1.4 \pm 0.3)\%$，与预期的 $\Gamma(\tau^+\nu)/\Gamma(\mu^+\nu) \approx 9.72$ 一致。
• 确定的 $D_s^+$ 衰变常数为 $f_{D_s^+} = 282 \pm 16 \pm 7$ MeV，为迄今最精确的测量结果。
• 提取的比值 $f_{D_s^+}/f_{D^+} = 1.27 \pm 0.12 \pm 0.03$ 由于 $D_s^+$ 和 $D^+$ 测量中系统误差的抵消，显著降低了系统不确定度。
• 该结果与格点 QCD 预测一致，特别是与 MILC 的 $n_f = 2+1$ 阿什勒计算结果 ($f_{D_s^+}/f_{D^+} = 1.24 \pm 0.01 \pm 0.07$) 一致，且高于大多数其他理论估算。
• 基于格点 QCD 预测 $f_{D_s^+}/f_{D^+} = 1.24 \pm 0.01 \pm 0.07$，推导出比值 $|V_{cd}/V_{cs}| = 0.22 \pm 0.03$，与标准模型一致。