[论文解读] Measurement of the semileptonic $\bar{B}^0 o D^{*+} \ell^{-} u_{\ell}$ branching fraction with fully reconstructed $B$ meson decays and 34.6 fb$^{-1}$of Belle II data

F. Abudinén, I. Adachi+539 more|arXiv (Cornell University)|Jan 1, 2020

Particle physics theoretical and experimental studies被引用 4

一句话总结

本论文利用 Belle II 实验的 34.6 fb$^{-1}$ 数据，首次测量了 $ar{B}^0 \to D^{*+} \ell^- \nu_\ell$ 的半轻衰变分支比，且所有 $B$ 介子均完全重建。测得的分支比为 $4.51 \pm 0.41_{\text{stat}} \pm 0.27_{\text{syst}} \pm 0.45_{\pi}$\%，与世界平均值一致，为未来 $B \to \tau \bar{\nu}_\tau$ 和 $B \to D^{(*)} \tau \bar{\nu}_\tau$ 的研究奠定了关键基础。

ABSTRACT

We present a first measurement of the $\bar{B^{0}} ightarrow D^{*+} \ell^{-} u_{\ell}$ branching fraction using fully reconstructed $B$ meson decays employing the Full Event Interpretation algorithm. Collision events corresponding to an integrated luminosity of \lumi are analyzed, which were recorded by the Belle~II detector operated at the SuperKEKB accelerator complex. We measure$\cal{B}(\bar{B^{0}} ightarrow D^{*+} \ell^{-} u_{\ell}) =4.51 \pm 0.41_{stat}\pm0.27_{syst} \pm0.45_{\pi_s}$, with the first and second error denoting the statistical and systematic uncertainty, respectively, and the third dominant uncertainty is from the slow pion reconstruction efficiency.

研究动机与目标

• 利用 Belle II 实验中完全重建的 $B$ 介子衰变，测量 $\bar{B}^0 \to D^{*+} \ell^- \nu_\ell$ 的半轻衰变分支比。
• 基于 Belle II 实验的 34.6 fb$^{-1}$ 数据，精确测定该分支比。
• 验证全事件解析（Full Event Interpretation）算法在重建 $B$ 介子衰变中的性能。
• 为未来涉及 $\tau$ 轻子的稀有 $B$ 衰变测量（如 $B \to \tau \bar{\nu}_\tau$）奠定基础。
• 评估 EECL（能量过剩-量能器-轻信号）可观测量在探测 $B$ 衰变中 $\tau$ 轻子衰变所产生缺失能量方面的意义。

提出的方法

• 利用全事件解析（FEI）算法，从 $\varUpsilon(4S)$ 共振态处的 $e^+e^-$ 碰撞中重建完全强子衰变的 $B$ 介子。
• 通过运动学和拓扑约束（包括 $M_{\text{miss}}^2$ 和 $\Delta E$ 变量）识别重建的 $B$ 介子。
• $D^{*+}$ 介子通过衰变 $D^{*+} \to D^0 \pi^+$ 进行重建，其中 $D^0 \to K^- \pi^+$、$K^- \pi^+ \pi^+ \pi^-$ 或 $K^- \pi^+ \pi^0$。
• 应用多变量 BDT（提升决策树）选择方法，以抑制组合背景并提高信号纯度。
• 通过 $M_{\text{miss}}^2$ 分布的最大似然拟合提取分支比，系统误差通过 π 介子效率、追踪和校准等因素评估。

实验结果

研究问题

• RQ1 利用 Belle II 实验中 34.6 fb$^{-1}$ 数据的完全重建 $B$ 衰变，$ar{B}^0 \to D^{*+} \ell^- \nu_\ell$ 的分支比测量结果是多少？
• RQ2 全事件解析算法在信号纯度和背景抑制方面，相较于以往重建方法表现如何？
• RQ3 EECL 可观测量在探测 $B$ 介子衰变中 $\tau$ 轻子衰变产生的缺失能量方面起什么作用？
• RQ4 系统误差（特别是慢 π 介子效率）对最终分支比测量结果的影响有多大？
• RQ5 该测量在多大程度上可作为未来 $B \to \tau \bar{\nu}_\tau$ 和 $B \to D^{(*)} \tau \bar{\nu}_\tau$ 分析的校准基准？

主要发现

• $\bar{B}^0 \to D^{*+} \ell^- \nu_\ell$ 的测量分支比为 $4.51 \pm 0.41_{\text{stat}} \pm 0.27_{\text{syst}} \pm 0.45_{\pi}$\%。
• 结果与当前世界平均值一致，验证了 Belle II 重建与分析链的可靠性。
• 最大的系统误差来源于 $D^{*+}$ 衰变中慢 π 介子识别效率的不确定性。
• EECL 可观测量在数据与模拟之间表现出良好一致性，支持其在未来的 $B \to \tau \bar{\nu}_\tau$ 分析中使用。
• 全事件解析算法成功实现了高信号纯度和低背景污染的 $B$ 衰变重建。
• 本研究为未来 $B \to \tau \bar{\nu}_\tau$ 衰变的测量提供了关键基准，这类衰变是探索标准模型之外新物理的关键探针。