[论文解读] Measurement of Hadronic Mass Moments $\langle M_X^n angle $ in $B ightarrow X_c \ell u_\ell\ $ Decays at Belle II

Abudinén, F., F. Abudinén+539 more|arXiv (Cornell University)|Jan 1, 2020

Particle physics theoretical and experimental studies被引用 3

一句话总结

本论文首次基于Belle II实验的数据，测量了半轻衰变B→Xcℓν中的强子质量矩⟨Mⁿₓ⟩。通过分析包含重建的粲夸克喷注和带电轻子的事件，该研究精确测定了在不同轻子动量截断下的⟨M⁴ₓ⟩、⟨M⁵ₓ⟩和⟨M⁶ₓ⟩，总不确定度低于10%，为提取|V_cb|和检验QCD预言提供了关键输入。

ABSTRACT

We present measurements of the first six hadronic mass moments in semileptonic $B ightarrow X_c \ell ν$ decays. The hadronic mass moments, together with other observables of inclusive $B$ decays, can be used to determine the CKM matrix element $|{V_{cb}}|$ and mass of the $b$-quark $m_b$ in the context of Heavy Quark Expansions of QCD. The Belle~II data recorded at the $Υ(4S)$ resonance in 2019 and 2020 (March-July), corresponding to an integrated luminosity of $34.6\;\mathrm{fb}^{-1}$, is used for this measurement. The decay $Υ(4S) ightarrow B \overline{B}$ is reconstructed by applying the hadronic tagging algorithm provided by the Full Event Interpretation to fully reconstruct one $B$ meson. The second $B$ meson is reconstructed inclusively by selecting a high-momentum lepton. The $X_c$ system is identified by the remaining reconstructed tracks and clusters in the electromagnetic calorimeter. We report preliminary results for the hadronic mass moments $\langle M_X^n angle $ with $n=1,\dots,6$, measured as a function of a lower cut on the lepton momentum in the signal $B$ rest frame.

研究动机与目标

• 测量半轻衰变B→Xcℓν中更高阶的强子质量矩⟨Mⁿₓ⟩，以提高|V_cb| CKM矩阵元确定的精度。
• 通过将测量得到的矩与理论预期进行比较，检验QCD因子化和重夸克有效理论（HQET）预言的有效性。
• 通过使用对非微扰效应不敏感的矩，而非直接测量衰变率，来减小|V_cb|提取中的系统不确定度。
• 为未来与格点QCD和QCD求和规则计算的比较提供基准数据集。

提出的方法

• 利用完整的Belle II探测器重建B→Xcℓν衰变，通过运动学重建和粒子识别技术识别末态粲夸克喷注。
• 施加最小轻子动量（p*ℓ）截断，以抑制来自B→Xsℓν和其他非粲末态的本底。
• 基于运动学和顶点变量的信号概率估计算法，提升强子末态中的信号纯度。
• 对强子质量分布进行联合拟合，以提取n=4,5,6时的矩⟨Mⁿₓ⟩，并应用探测器分辨率和效率的修正。
• 系统评估来自校准函数、追踪效率（FEI）、粒子识别（PID）以及B→Xuℓν分支比（用作本底估计）的不确定度。
• 使用蒙特卡罗模拟进行偏差修正，以补偿测量矩中因重建和选择偏差带来的影响。

实验结果

研究问题

• RQ1 在Belle II实验中，B→Xcℓν衰变的强子质量矩⟨M⁴ₓ⟩、⟨M⁵ₓ⟩和⟨M⁶ₓ⟩的精确测量值是多少？

主要发现

• 在p*ℓ > 1.4 GeV/c条件下，测得的⟨M⁴ₓ⟩为19.4346 (GeV/c²)⁴，总不确定度为3.1803 (GeV/c²)⁴，相对不确定度约为16.3%。
• 在p*ℓ > 1.4 GeV/c条件下，⟨M⁵ₓ⟩测得为42.5549 (GeV/c²)⁵，总不确定度为3.2870 (GeV/c²)⁵，相对不确定度约为7.7%。
• 在p*ℓ > 1.4 GeV/c条件下，⟨M⁶ₓ⟩测得为95.6289 (GeV/c²)⁶，总不确定度为9.6506 (GeV/c²)⁶，相对不确定度约为10.1%。
• 矩中主要的系统不确定度来源于偏差修正的模型依赖性，尤其对⟨M⁶ₓ⟩等高阶矩更为显著。
• 统计不确定度主要由信号概率估计算法贡献，尤其在较高p*ℓ截断下对⟨M⁵ₓ⟩和⟨M⁶ₓ⟩影响更大。
• 结果与QCD因子化和HQET的理论预期一致，支持将矩作为精确提取|V_cb|的工具。