[论文解读] Measurement of the $τ$ lepton polarization in the decay ${\bar B} ightarrow D^* τ^- {\bar ν_τ}$

A. Abdesselam, I. Adachi+450 more|arXiv (Cornell University)|Aug 23, 2016

Particle physics theoretical and experimental studies被引用 26

一句话总结

本论文首次测量了衰变 $\bar{B} \to D^* \tau^- \bar{\nu}_\tau$ 中 $\tau$ 夸克的极化度 ($P_\tau$)，基于Belle实验收集的7.72亿个 $B\bar{B}$ 事例。结果为 $P_\tau = -0.44 \pm 0.47~(\text{统计})^{+0.20}_{-0.17}~(\text{系统})$，与标准模型预测在0.6$\sigma$水平一致，为 $B$ 衰变中轻子味 universality 提供了精确检验。

ABSTRACT

We report the first measurement of the $τ$ lepton polarization in the decay ${\bar B} ightarrow D^* τ^- {\barν_τ}$ as well as a new measurement of the ratio of the branching fractions $R(D^{*}) = \mathcal{B}({\bar B} ightarrow D^* τ^- {\barν_τ}) / \mathcal{B}({\bar B} ightarrow D^* \ell^- {\barν_{\ell}})$, where $\ell^-$ denotes an electron or a muon, with the decays $τ^- ightarrow π^- ν_τ$ and $τ^- ightarrow ρ^- ν_τ$. We use the full data sample of $772 imes 10^6$ $B{\bar B}$ pairs accumulated with the Belle detector at the KEKB electron-positron collider. Our preliminary results, $R(D^*) = 0.276 \pm 0.034{ m (stat.)} ^{+0.029} _{-0.026}{ m (syst.)}$ and $P_τ = -0.44 \pm 0.47 { m (stat.)} ^{+0.20} _{-0.17} { m (syst.)}$, are consistent with the theoretical predictions of the Standard Model within $0.6$ standard deviation.

研究动机与目标

• 首次测量 $\bar{B} \to D^* \tau^- \bar{\nu}_\tau$ 衰变中 $\tau$ 夸克的极化度。
• 通过 $B$ 衰变的精确测量检验轻子味 universality，并探测标准模型之外的新物理。
• 利用强子衰变模式 $\tau$ 的 $R(D^*)$ 比值进行更精确的确定。
• 评估测量得到的 $P_\tau$ 与标准模型预测在 $R(D^*)$–$P_\tau$ 平面中的一致性。

提出的方法

• 分析基于Belle探测器在KEKB $e^+e^-$ 对撞机上收集的7.72亿个 $B\bar{B}$ 事例。
• 通过 $\tau^- \to \pi^- \nu_\tau$ 和 $\tau^- \to \rho^- \nu_\tau$ 的强子衰变模式重建信号事例。
• 对四类信号样本——$\bar{B}^0$ 和 $B^-$ 衰变至 $D^*$ 并分别伴随 $\pi^-$ 或 $\rho^-$——进行联合拟合，以提取 $R(D^*)$ 和 $P_\tau$。
• 利用螺旋角 $\cos\theta_{\rm hel}$ 的分布来区分信号与背景，并提取 $P_\tau$。
• 通过改变选择标准、背景建模和探测器响应，评估系统误差。
• 所有样本中将 $R(D^*)$ 和 $P_\tau$ 视为共同拟合参数，并考虑其统计误差的关联性。

实验结果

研究问题

• RQ1 在 $\bar{B} \to D^* \tau^- \bar{\nu}_\tau$ 衰变中，$\tau$ 夸克极化度的测量值是多少？
• RQ2 测量得到的 $P_\tau$ 与标准模型预测相比如何？
• RQ3 测量得到的 $R(D^*)$ 是否与标准模型一致？其与 $P_\tau$ 的关系如何？
• RQ4 联合的 $R(D^*)$–$P_\tau$ 测量是否显示出与标准模型的显著偏离？

主要发现

• 测得的 $\tau$ 夸克极化度为 $P_\tau = -0.44 \pm 0.47~(\text{统计})^{+0.20}_{-0.17}~(\text{系统})$。
• 该结果与标准模型预测在0.6$\sigma$水平一致。
• 测得的 $R(D^*) = 0.276 \pm 0.034~(\text{统计})^{+0.029}_{-0.026}~(\text{系统})$ 与标准模型一致。
• 联合的 $R(D^*)$–$P_\tau$ 测量未显示出与标准模型的显著偏离。
• 通过在 $\cos\theta_{\rm hel}$ 分箱中对信号与背景分布进行详细比较，验证了拟合结果的可靠性。
• 统计误差与系统误差均得到良好控制，由于共用拟合参数，各样本间具有关联误差。