[论文解读] Measurement of the ratio Br(D0 --> pi+pi-pi0)/Br(D0 --> K-pi+pi0)

K. Abe|arXiv (Cornell University)|Oct 20, 2006

Particle physics theoretical and experimental studies被引用 7

一句话总结

本文利用KEK的Belle实验获得的357 fb$^{-1}$数据，首次直接测量了分支分数比值 $\mathcal{B}(D^0 \to \pi^+\pi^-\pi^0)/\mathcal{B}(D^0 \to K^-\pi^+\pi^0)$。结果为 $0.0971 \pm 0.0031$，比世界平均值更精确，且与其他测量结果一致，同时通过选用 $D^0 \to K^-\pi^+\pi^0$ 作为归一化模式，有效降低了系统误差。

ABSTRACT

We report a high-statistics measurement of the relative branching fraction Br(D0 --> pi+pi-pi0)/Br(D0 --> K-pi+pi0). A 357 inverse fb data sample collected with the Belle detector at the KEKB asymmetric-energy e+e- collider was used for the analysis. The relative branching fraction Br(D0 --> pi+pi-pi0)/Br(D0 --> K-pi+pi0) is determined with an accuracy comparable to the latest world average value.

研究动机与目标

• 利用大规模数据样本测量 $D^0 \to \pi^+\pi^-\pi^0$ 相对于 $D^0 \to K^-\pi^+\pi^0$ 的相对分支分数。
• 通过选择 $D^0 \to K^-\pi^+\pi^0$ 作为归一化模式，降低对 $\pi^0$ 探测效率和轨迹重建效率的依赖，从而最小化系统误差。
• 通过优化事件选择与标定方法，减少统计误差与系统误差，提升测量精度。
• 将结果与世界平均值及其他实验（如BaBar和CLEO-c）进行比较，评估一致性并解决差异。

提出的方法

• 分析使用了Belle探测器在KEK $B$-工厂采集的357 fb$^{-1}$ $e^+e^-$ 碰撞数据。
• 通过粒子识别（PID）和 $\pi^0 \to \gamma\gamma$ 重建，识别出 $D^0 \to \pi^+\pi^-\pi^0$ 和 $D^0 \to K^-\pi^+\pi^0$ 的信号事例。
• 通过公式 $\mathcal{B}(D^0 \to \pi^+\pi^-\pi^0)/\mathcal{B}(D^0 \to K^-\pi^+\pi^0) = (N_{\pi\pi\pi^0}/N_{K\pi\pi^0}) \cdot (\epsilon_{K\pi\pi^0}/\epsilon_{\pi\pi\pi^0}) \cdot (r_K/r_\pi)$ 提取分支分数比值，其中 $r_K$ 和 $r_\pi$ 用于校正重建效率与分支分数归一化。
• 通过改变选择标准（包括 $p_{\text{cms}}(D^*)$ 截断、$K_S^0$ 排除区域和PID效率假设）评估系统误差。
• 在 $0.195 < M^2(\pi^+\pi^-) < 0.305$ GeV$^2/c^4$ 区域应用 $K_S^0$ 排除，导致 $\pi^+\pi^-\pi^0$ 事例数变化1.6%，是系统误差的主要贡献源之一。
• 总系统误差通过各项贡献的平方和开方求得，最终总不确定性为3.1%。

实验结果

研究问题

• RQ1 精确的分支分数比值 $\mathcal{B}(D^0 \to \pi^+\pi^-\pi^0)/\mathcal{B}(D^0 \to K^-\pi^+\pi^0)$ 是多少？
• RQ2 该测量结果与世界平均值及其他实验（如BaBar和CLEO-c）相比如何？
• RQ3 该比值测量中的主要系统误差来源是什么？
• RQ4 与使用 $D^0 \to K\pi$ 模式相比，采用 $D^0 \to K^-\pi^+\pi^0$ 作为归一化模式是否能有效降低系统误差？

主要发现

• 测得的分支分数比值为 $0.0971 \pm 0.0009_{\text{stat}} \pm 0.0030_{\text{syst}}$，总不确定性为 $\pm 0.0031$。
• 该结果与2006年世界平均值 $0.0929 \pm 0.0054$ 一致，但精度更高。
• Belle测量结果与BaBar结果（$0.1059 \pm 0.0019$）相差约2.8$\sigma$，表明两实验之间存在张力。
• 利用世界平均值 $\mathcal{B}(D^0 \to K^-\pi^+\pi^0)$，确定 $D^0 \to \pi^+\pi^-\pi^0$ 的绝对分支分数为 $(13.69 \pm 0.66) \times 10^{-3}$。
• $K_S^0$ 排除区域对系统误差的贡献为1.6%，是主要误差源之一。
• Kaon与Pion的PID效率对系统误差的贡献为1.6%，但由于比值中部分抵消，其整体影响被显著降低。