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

B. Kronenbitter, M. Heck+180 more|arXiv (Cornell University)|Mar 18, 2015

Particle physics theoretical and experimental studies被引用 7

一句话总结

本研究利用KEKB的Belle探测器收集的7.72亿对BB̄事例，通过半轻子事例标记法测量了B⁺ → τ⁺ νₜₐᵤ衰变的分支比。结果为BR(B⁺ → τ⁺ νₜₐᵤ) = (1.25 ± 0.28 统计 ± 0.27 系统) × 10⁻⁴，与标准模型预测及以往测量结果一致。

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

• 通过一种新颖的标记技术，高精度测量稀有衰变B⁺ → τ⁺ νₜₐᵤ的分支比。
• 检验测量得到的分支比与B → τν衰变的标准模型预测的一致性。
• 通过采用反冲B介子的半轻子事例标记，减少B → τν衰变测量中的系统不确定性。
• 通过精确测量专属B → τν衰变模式，为确定CKM矩阵元|V_ub|做出贡献。

提出的方法

• 实验使用KEKB在Y(4S)共振能区触发的7.72 × 10⁶对BB̄事例，数据由Belle探测器收集。
• 通过反冲B介子的半轻子衰变实现事例标记，从而实现信号B⁺ → τ⁺ νₜₐᵤ衰变的重建。
• τ⁺通过其轻子衰变模式（如τ⁺ → e⁺ νₑ νₜₐᵤ 或 μ⁺ → μ⁺ ν_μ νₜₐᵤ）进行重建，利用缺失能量和动量推断中微子。
• 应用运动学约束和顶点重建技术，以抑制本底并提高信号纯度。
• 通过对比控制样本和使用蒙特卡罗模拟，评估系统不确定性。
• 通过最大似然拟合重建的τ⁺候选者不变质量分布，提取分支比。

实验结果

研究问题

• RQ1 使用半轻子事例标记方法，B⁺ → τ⁺ νₜₐᵤ衰变模式的精确分支比是多少？
• RQ2 测量得到的分支比与B → τν衰变的标准模型预测相比如何？
• RQ3 半轻子事例标记技术在多大程度上减少了B → τν测量中的系统不确定性？
• RQ4 测量得到的分支比能否用于以更高精度约束CKM矩阵元|V_ub|？

主要发现

• 测得的分支比为BR(B⁺ → τ⁺ νₜₐᵤ) = (1.25 ± 0.28 统计 ± 0.27 系统) × 10⁻⁴。
• 该结果与以往对同一衰变模式的实验测量结果良好一致。
• 测得的数值与B → τν衰变的标准模型预测一致。
• 统计不确定性主要源于数据样本规模有限，而系统不确定性主要来自重建和本底建模。
• 半轻子事例标记方法在降低模型依赖性方面有效隔离了信号B⁺衰变。
• 该结果支持标准模型在描述涉及τ轻子的稀有B介子衰变方面的有效性。