[论文解读] Measurement of the $D^{*}$ longitudinal polarization in $B^0 o D^{*-}τ^{+}ν_τ$ decays

Aaij, R., R. Aaij+1105 more|arXiv (Cornell University)|Jan 1, 2023

Particle physics theoretical and experimental studies被引用 1

一句话总结

本论文利用√s = 7、8和13 TeV下5 fb⁻¹的质子-质子碰撞数据，首次对B⁰ → D*⁻τ⁺ν_τ衰变中的D*纵向极化分数F_D*^L进行了测量。在低-q²区域（<7 GeV²/c⁴）测得F_D*^L = 0.52 ± 0.07 ± 0.04，在高-q²区域（>7 GeV²/c⁴）测得F_D*^L = 0.34 ± 0.08 ± 0.02，平均值为0.41 ± 0.06 ± 0.03，所有结果均与标准模型预测一致。

ABSTRACT

The longitudinal polarization fraction of the $D^{*}$ meson is measured in $B^0 o D^{*-}τ^{+}ν_τ$ decays, where the $τ$ lepton decays to three charged pions and a neutrino, using proton-proton collision data collected by the LHCb experiment at center-of-mass energies of 7, 8 and 13 TeV and corresponding to an integrated luminosity of 5 fb$^{-1}$. The $D^{*}$ polarization fraction $F_{L}^{D^{*}}$ is measured in two $q^{2}$ regions, below and above 7 GeV$^{2}/c^{4}$, where $q^{2}$ is defined as the squared invariant mass of the $τν_τ$ system. The $F_{L}^{D^{*}}$ values are measured to be $0.52 \pm 0.07 \pm 0.04$ and $0.34 \pm 0.08 \pm 0.02$ for the lower and higher $q^{2}$ regions, respectively. The first uncertainties are statistical and the second systematic. The average value over the whole $q^{2}$ range is: $$F_{L}^{D^{*}} = 0.41 \pm 0.06 \pm 0.03.$$ These results are compatible with the Standard Model predictions.

研究动机与目标

• 测量B⁰ → D*⁻τ⁺ν_τ衰变中D*介子的纵向极化分数F_D*^L，该可观测量对标准模型之外的新物理极为敏感。
• 研究F_D*^L中可能存在的偏离，以探测新标量或张量算符的贡献。
• 利用大型强子对撞机（LHC）运行1和运行2的大数据集，实现精确测量，优于以往Belle实验的结果。
• 检验测量得到的F_D*^L是否与标准模型预测一致，并验证R(D*)异常现象。

提出的方法

• 测量基于D*⁻静止参考系中D⁰衰变产物的角分布，以角度θ_D（即D⁰动量与B⁰反方向之间的夹角）进行参数化。
• 双微分衰变率为d²Γ/dq²d cosθ_D = a_θD(q²) + c_θD(q²) cos²θ_D，其中q²为τν_τ系统的不变质量平方。
• 通过角系数提取F_D*^L(q²) = [a_θD(q²) + c_θD(q²)] / [3a_θD(q²) + c_θD(q²)]。
• 分析使用了√s = 7、8和13 TeV下的5 fb⁻¹质子-质子碰撞数据，完整重建了B⁰ → D*⁻τ⁺ν_τ衰变及τ⁺ → π⁺π⁻π⁺(π⁰)ν_τ过程。
• 在两个q²区间内对cosθ_D分布进行联合拟合，背景成分通过控制样本和模拟进行建模。
• 系统误差通过模板重采样、替代拟合策略以及信号和背景建模的变动进行评估。

实验结果

研究问题

• RQ1 B⁰ → D*⁻τ⁺ν_τ衰变中D*介子的纵向极化分数F_D*^L是否与标准模型预测一致？
• RQ2 在不同q²区域中，测量得到的F_D*^L是否显示出与标准模型的显著偏离，尤其是在R(D*)异常的背景下？
• RQ3 新物理贡献（如标量或张量算符）对q²范围内F_D*^L分布的影响如何？
• RQ4 探测器效应、背景建模和模拟精度带来的系统误差如何影响最终F_D*^L的确定？
• RQ5 LHCb实验能否实现与以往Belle实验相当或更优的F_D*^L测量精度？

主要发现

• 在q²低于7 GeV²/c⁴的区域，纵向极化分数F_D*^L测量结果为0.52 ± 0.07（统计）± 0.04（系统）
• 在更高的q²区域（>7 GeV²/c⁴），F_D*^L测量结果为0.34 ± 0.08（统计）± 0.02（系统）
• 在全q²范围内平均的F_D*^L为0.41 ± 0.06（统计）± 0.03（系统），两q²区间之间的总相关系数为-0.18
• 结果与标准模型预测（范围为0.43至0.46）一致，并与Belle合作组先前测得的F_D*^L = 0.60 ± 0.08（统计）± 0.04（系统）一致
• 系统误差主要来源于模板统计量有限（全范围内为0.019）、信号选择（0.005）和箱迁移（0.007）
• 测量结果确认了B⁰ → D*⁻τ⁺ν_τ衰变振幅与标准模型的一致性，未在极化可观测量中发现新物理的证据