[论文解读] Measurement of the branching ratio of $\bar{B}^0 ightarrow D^{*+} τ^- \barν_τ$ relative to $\bar{B}^0 ightarrow D^{*+} \ell^- \barν_{\ell}$ decays with a semileptonic tagging method

A. Abdesselam, I. Adachi+442 more|arXiv (Cornell University)|Mar 22, 2016

Particle physics theoretical and experimental studies被引用 48

一句话总结

本论文利用Belle实验在KEKB e⁺e⁻对撞机上收集的772×10⁶对B̄B̄事例，采用半轻子事例标记方法，首次测量了分支比 R(D*) = Br(B̄⁰ → D*+τ⁻ν̄τ)/Br(B̄⁰ → D*+ℓ⁻ν̄ℓ)。结果为 R(D*) = 0.302 ± 0.030（统计）± 0.011（系统），在1.6σ范围内与标准模型一致，并与其它包含性测量结果相符，为轻子味 universality 提供了统计上独立的检验。

ABSTRACT

We report a measurement of ratio ${\cal R}(D^*) = {\cal B}(\bar{B}^0 ightarrow D^{*+} τ^- \barν_τ)/{\cal B}(\bar{B}^0 ightarrow D^{*+} \ell^- \barν_{\ell})$, where $\ell$ denotes an electron or a muon. The results are based on a data sample containing $772 imes10^6$ $B\bar{B}$ pairs recorded at the $Υ(4S)$ resonance with the Belle detector at the KEKB $e^+ e^-$ collider. We select a sample of $B^0 \bar{B}^0$ pairs by reconstructing both $B$ mesons in semileptonic decays to $D^{*\mp} \ell^{\pm}$. We measure ${\cal R}(D^*)= 0.302 \pm 0.030({ m stat)} \pm 0.011({ m syst)}$, which is within $1.6 σ$ of the Standard Model theoretical expectation, where $σ$ is the standard deviation including systematic uncertainties.

研究动机与目标

• 利用半轻子事例标记方法，高精度测量分支比 R(D*) = Br(B̄⁰ → D*+τ⁻ν̄τ)/Br(B̄⁰ → D*+ℓ⁻ν̄ℓ。
• 通过比较μ和e最终态与τ最终态，检验B⁰ → D*+ℓ⁻ν̄ℓ衰变中轻子味 universality。
• 评估测量得到的R(D*)与新物理模型（如类型II两Higgs双重态模型（2HDM）和R₂型轻子偶素模型）的兼容性。
• 相对于以往的包含性分析，提供对R(D*)的统计上独立的测量，增强与标准模型预测进行全局比较的稳健性。

提出的方法

• 利用半轻子事例标记方法，通过重建其强子对伴子B⁰ → D*+ℓ⁻ν̄ℓ衰变，识别B̄⁰介子的味量子数。
• 采用Belle探测器在KEKB e⁺e⁻对撞机上收集的772×10⁶对B̄B̄事例数据样本。
• 应用背景减法与运动学重建技术，从D*+和τ⁻衰变模式中分离出信号事例。
• 对信号增强区域中D*+和ℓ⁻的动量分布进行联合拟合，以提取分支比。
• 使用蒙特卡罗模拟对信号和背景贡献进行建模，并通过探测到的事例数进行归一化。
• 对探测器效率、重建偏差以及粒子识别和轨迹测量的系统不确定性进行修正。

实验结果

研究问题

• RQ1 采用半轻子事例标记方法，R(D*) = Br(B̄⁰ → D*+τ⁻ν̄τ)/Br(B̄⁰ → D*+ℓ⁻ν̄ℓ)的精确值是多少？
• RQ2 测量得到的R(D*)与标准模型预测相比如何？是否在不确定度范围内一致？
• RQ3 数据与新物理模型（如类型II 2HDM和R₂型轻子偶素模型）的兼容程度如何？
• RQ4 测量得到的R(D*)值是否显示出与轻子味 universality 显著偏离？
• RQ5 此项测量是否与以往Belle的包含性R(D*)测量在统计上相互独立？

主要发现

• 测得的R(D*)值为0.302 ± 0.030（统计）± 0.011（系统），在1.6σ范围内与标准模型预测一致。
• 结果与Belle、BaBar和LHCb的其他包含性测量结果高度一致，证实了先前研究中观察到的R(D*)持续增强现象。
• 在类型II 2HDM中，最被青睐的参数点位于 tanβ/mH⁺ = 0.7 GeV⁻¹ 处，而R₂型轻子偶素模型则偏好 CT = +0.360 和 CT = -0.030。
• 当考虑衰变运动学时，R₂型轻子偶素模型中CT = +0.360在D*+动量分布上的p值仅为1.4%，表明该模型被数据所排斥。
• 此项测量与早期Belle的包含性R(D*)测量在统计上相互独立，增强了其在全球轻子味 universality 检验中的作用。
• 背景扣除后的D*+和ℓ⁻动量分布显示数据与预期分布高度一致，验证了分析方法的可靠性。