[论文解读] Measurement of the branching fraction of B^+ -> tau^+ nu_tau decays with the semileptonic tagging method

Belle Collaboration, B. Kronenbitter+181 more|arXiv (Cornell University)|Mar 18, 2015

Particle physics theoretical and experimental studies被引用 9

一句话总结

本文利用Belle实验收集的772 × 10⁶对B̄B粒子，通过半轻子标记方法测量了稀有衰变 $B^+ \to \tau^+ \nu_\tau$ 的分支分支比。结果为 ${\cal B}(B^+ \to \tau^+ \nu_\tau) = (1.25 \pm 0.28_{\text{stat}} \pm 0.27_{\text{syst}}) \times 10^{-4}$，显著性达3.8$\sigma$，与标准模型一致，并超越了此前使用相同方法的Belle实验测量结果。

ABSTRACT

We report a measurement of the branching fraction of B^+ -> tau^+ nu_tau decays using a data sample of 772 x 10^6 BBbar pairs, collected at the Y(4S) resonance with the Belle detector at the KEKB asymmetric-energy e^+e^- collider. We reconstruct the accompanying B meson in a semileptonic decay and detect the recoiling B candidate in the decay channel B^+ -> tau^+ nu_tau. We obtain a branching fraction of BR(B^+ -> tau^+ nu_tau) = [1.25 +- 0.28 (stat.) +- 0.27 (syst.)] x 10^-4. This result is in good agreement with previous measurements and the expectation from the calculation based on the Standard Model.

研究动机与目标

• 通过半轻子标记方法，以更高精度测量稀有 $B^+ \to \tau^+ \nu_\tau$ 衰变的分支比。
• 通过改进背景建模和效率标定，减小测量中的系统不确定性。
• 提供一个一致且更新后的分支比测定结果，超越此前使用相同标记技术的Belle实验测量。
• 基于测量得到的分支比和全局CKM拟合，检验结果与标准模型预测的一致性。

提出的方法

• 通过重建事件中伴随B介子的半轻子衰变，利用半轻子标记方法识别 $B^+ \to \tau^+ \nu_\tau$ 衰变。
• 通过重建 $\tau^+ \to \pi^+ \pi^- \pi^+$、$\pi^+ \pi^- \pi^+ \pi^0$ 或 $\pi^+ \pi^- \pi^+ \pi^- \pi^0$ 最终态选择信号候选，其中 $\pi^0$ 衰变通过两光子末态重建。
• 利用连续态 $e^+e^-$ 过程的蒙特卡罗模拟与数据驱动技术相结合建模背景，系统不确定性通过能量差的多项式拟合评估。
• 对信号重建效率、背景分支比、效率标定、$\tau$ 介子衰变分支比、PDF形状假设以及探测器效应（如轨迹和 $\pi^0$ 重建）等系统不确定性进行评估。
• 通过带高斯先验的轮廓似然法计算显著性，信号显著性为 $3.8\sigma$。

实验结果

研究问题

• RQ1 使用半轻子标记方法，精确测量稀有 $B^+ \to \tau^+ \nu_\tau$ 衰变的分支比是多少？
• RQ2 来自背景建模和效率标定的系统不确定性如何影响最终测量结果？
• RQ3 基于全局CKM拟合，测量得到的分支比是否与标准模型预测一致？
• RQ4 新测量结果是否超越了此前使用相同方法的Belle实验结果？

主要发现

• 测得的分支比为 ${\cal B}(B^+ \to \tau^+ \nu_\tau) = (1.25 \pm 0.28_{\text{stat}} \pm 0.27_{\text{syst}}) \times 10^{-4}$，显著性为3.8$\sigma$。
• 主要系统不确定性来源于连续态背景建模（14.1%）和效率标定（12.6%），合计占总系统不确定性的21.2%。
• 该结果超越了此前使用相同方法的Belle实验测量，后者报告的结果为 $(1.54 \pm 0.38_{\text{stat}} \pm 0.37_{\text{syst}}) \times 10^{-4}$。
• 与近期Belle强子标记测量结果结合后，得到 ${\cal B}(B^+ \to \tau^+ \nu_\tau) = (0.91 \pm 0.19_{\text{stat}} \pm 0.11_{\text{syst}}) \times 10^{-4}$，联合显著性为4.6$\sigma$。
• 联合结果与基于独立实验输入的全局CKM拟合的标准模型预期一致。