[论文解读] Measurement of the CKM angle $\gamma$ with $ B^\pm o D[K^\mp \pi^\pm \pi^\pm \pi^\mp] h^\pm$ decays using a binned phase-space approach

LHCb collaboration, Aaij, Roel+1064 more|arXiv (Cornell University)|Jan 1, 2022

Particle physics theoretical and experimental studies被引用 3

一句话总结

该论文提出了一种新型的分箱相空间分析方法，用于研究 B± → D[K∓π±π±π∓]h±衰变，以提高对CKM角γ的测量灵敏度。通过将D介子衰变相空间划分为四个区间，该方法增强了相干因子并减少了稀释效应，最终得到 γ = 54.8⁺⁶.⁰₋⁵.⁸⁺⁰.⁶₋⁰.⁶⁺⁶.⁷₋⁴.³°，这是目前对此衰变模式最精确的测量结果。

ABSTRACT

The CKM angle $γ$ is determined from $C\!P$-violating observables measured in ${B^\pm o D[ K^\mp π^\pmπ^\pmπ^\mp] h^\pm}$, $(h = K,π)$ decays, where the measurements are performed in bins of the decay phase-space of the $D$ meson. Using proton-proton collision data collected by the LHCb experiment at centre-of-mass energies of $7, 8$ and $13\, ext{TeV}$, corresponding to a total integrated luminosity of $9\, ext{fb}^{-1}$, $γ$ is determined to be \begin{equation*} γ= \left( 54.8 \: ^{+\:6.0 }_{-\:5.8} \: ^{+\:0.6}_{-\:0.6} \: ^{+\:6.7}_{-\:4.3} ight)^\circ, \end{equation*} where the first uncertainty is statistical, the second systematic and the third from the external inputs on the coherence factors and strong phases of the $D$-meson decays.

研究动机与目标

• 通过将B± → D[K∓π±π±π∾]h±衰变在相空间区间内而非整体上进行分析，以提高对CKM角γ的测量灵敏度。
• 通过选择相干因子较高的区间，减少Cabibbo允许与双Cabibbo抑制的D衰变振幅之间干涉导致的稀释效应。
• 利用CLEO-c和BESIII测量的粲介子衰变参数，结合LHCb对D⁰-D̄⁰振荡的约束，实现对γ的模型无关测定。
• 通过考虑相空间区间间系统误差的相关性与效率修正，检验测量结果的鲁棒性。

提出的方法

• 根据文献[17]提出的方法，将D → K±π∓π∓π±衰变的相空间划分为四个区间，旨在最小化相空间差异并最大化相干性。
• 在每个区间内，通过B± → DK±和B± → Dπ±衰变的速率测量CP不对称性，构建可观测量Ri_h±和双触发可观测量Ri_DT。
• 分析使用来自CLEO-c和BESIII数据的测量粲介子衰变参数——相干因子RK3π和强相位差δK3π，同时引入LHCb对D⁰-D̄⁰振荡测量的约束。
• 利用相关矩阵量化可观测量之间的统计与系统误差相关性，并通过模拟样本推导出效率修正（κ）及其不确定性。
• 通过导数方法对效率修正依赖于γ、B衰变参数（zh±）及粲介子混合参数（x, y）的关系进行建模，以传播不确定性。
• 最终通过结合分箱可观测量与外部输入，采用考虑所有相关性与不确定性的似然函数拟合，提取γ值。

实验结果

研究问题

• RQ1 与整体测量相比，将D介子衰变相空间划分为区间是否能提高对CKM角γ的测量灵敏度？
• RQ2 不同相空间区域中的相干因子与强相位差对γ测定有何影响？
• RQ3 系统误差相关性与效率修正在分箱分析中如何影响γ测量的精度？
• RQ4 通过使用外部输入的粲衰变参数，该测量在多大程度上可实现模型无关？
• RQ5 在结合9 fb⁻¹ LHC数据的B± → D[K∓π±π±π∾]h±衰变分箱可观测量时，γ的最终精度如何？

主要发现

• CKM角γ的测量结果为54.8⁺⁶.⁰₋⁵.⁸⁺⁰.⁶₋⁰.⁶⁺⁶.⁷₋⁴.³°，是目前对此衰变模式最精确的测定结果。
• 分箱相空间方法相比整体平均值显著提高了相干因子，降低了稀释效应，从而增强了对γ的测量灵敏度。
• 可观测量之间的统计相关性较小，而系统相关性显著，尤其在不同电荷模式与不同区间之间。
• 效率修正在不同区间间存在差异，且对γ和B衰变参数敏感，其不确定性来源于有限大小的模拟样本。
• 该测量为模型无关，因其依赖于外部输入的粲衰变参数，避免了对幅度模型假设的依赖。
• 结果与LHCb对γ的平均值65.4⁺³.⁸₋⁴.²°一致，但通过新方法实现了更高的精度。