[论文解读] Precise determination of the CKM matrix element $\left| V_{cb} ight|$ with $\bar B^0 o D^{*\,+} \, \ell^- \, \bar ν_\ell$ decays with hadronic tagging at Belle

The Belle Collaboration, A. Abdesselam+462 more|arXiv (Cornell University)|Feb 6, 2017

Particle physics theoretical and experimental studies被引用 36

一句话总结

本文利用Belle实验中采用强子标记的全重建 $\bar{B}^0 \to D^{*+} \ell^- \bar{\nu}_\ell$ 衰变，精确测定CKM矩阵元 |V_{cb}|。通过测量动量变量——重力参数 $w$ 和三个衰变角的总衰变率与微分衰变率，该分析提取出 $|V_{cb}| = (37.4 \pm 1.3) \times 10^{-3}$，与世界平均值一致，并首次报告了未折叠的微分衰变宽度，使与理论结果的直接比较成为可能。

ABSTRACT

The precise determination of the CKM matrix element $\left| V_{cb} ight|$ is important for carrying out tests of the flavour sector of the Standard Model. In this article we present a preliminary analysis of the $\bar B^0 o D^{*\,+} \, \ell^- \, \bar ν_\ell$ decay mode and its charge conjugate, selected in events that contain a fully reconstructed $B$-meson, using 772 million $e^+ \, e^- o Υ(4S) o B \bar B$ events recorded by the Belle detector at KEKB. Unfolded differential decay rates of four kinematic variables fully describing the $\bar B^0 o D^{*\,+} \, \ell^- \, \bar ν_\ell$ decay in the $B$-meson rest frame are presented. We measure the total branching fraction $\mathcal{B}( \bar B^0 o D^{*\,+} \, \ell^- \, \bar ν_\ell ) = \left(4.95 \pm 0.11 \pm 0.22 ight) imes 10^{-2}$, where the errors are statistical and systematic respectively. The value of $\left|V_{cb} ight|$ is determined to be $\left( 37.4 \pm 1.3 ight) imes 10^{-3}$. Both results are in good agreement with current world averages.

研究动机与目标

• 利用全重建的 $\bar{B}^0 \to D^{*+} \ell^- \bar{\nu}_\ell$ 衰变，提高CKM矩阵元 |V_{cb}| 的测量精度。
• 利用强子标记，从动量可观测量——重力参数 $w$ 和三个衰变角中提取信号总事例数与微分事例数。
• 首次报告未折叠的微分衰变宽度，使与理论预测的直接比较成为可能。
• 利用形式因子参数计算比值 $R(D^*) = \mathcal{B}(\bar{B} \to D^* \tau \bar{\nu}_\tau) / \mathcal{B}(\bar{B} \to D^* \ell \bar{\nu}_\ell)$，并评估其与标准模型的张力。

提出的方法

• 分析使用了通过强子标记识别B强子味的 $\bar{B}^0 \to D^{*+} \ell^- \bar{\nu}_\ell$ 衰变全重建数据集。
• 在四个动量变量中提取信号事例数：重力参数 $w$ 和三个完全表征 $D^{*+}$ 衰变的衰变角。
• 确定四个变量之间的统计相关性，并通过似然函数拟合将事例数展开为分箱的微分衰变宽度。
• 通过同时拟合所有四个动量变量，结合形式因子参数 $\rho_{D^*}^2$、$R_1(1)$ 和 $R_2(1)$，确定 $|V_{cb}|$ 的值。
• 利用拟合得到的形式因子参数和参考文献 Fajfer:2012vx 给出的 $R_0(1) = 1.14 \pm 0.11$，计算比值 $R(D^*)$。

实验结果

研究问题

• RQ1 利用强子标记的全重建 $\bar{B}^0 \to D^{*+} \ell^- \bar{\nu}_\ell$ 衰变，CKM矩阵元 |V_{cb}| 的精确值是多少？
• RQ2 在 $w$ 和衰变角中的未折叠微分衰变宽度与理论预期如何比较？
• RQ3 基于测量到的形式因子参数，$R(D^*)$ 的预测值是多少？其与世界平均值的比较结果如何？
• RQ4 预测的 $R(D^*)$ 与当前世界平均值之间是否存在显著张力？其统计显著性如何？

主要发现

• 测量得到 $\bar{B}^0 \to D^{*+} \ell^- \bar{\nu}_\ell$ 的分支比为 $\mathcal{B} = (4.95 \pm 0.11 \pm 0.22) \times 10^{-2}$，与世界平均值一致。
• CKM矩阵元确定为 $|V_{cb}| = (37.4 \pm 1.3) \times 10^{-3}$，与当前世界平均值良好一致。
• 首次报告了在 $w$ 和三个衰变角中的未折叠微分衰变宽度，为与理论模型的直接比较提供了依据。
• 基于拟合形式因子参数和 $R_0(1) = 1.14 \pm 0.11$，预测的 $R(D^*)$ 值为 $0.242 \pm 0.005$，低于 Fajfer:2012vx 给出的预测值 $0.252 \pm 0.003$。
• 预测的 $R(D^*)$ 与当前世界平均值 $0.310 \pm 0.015 \pm 0.008$ 存在张力，显著性约为 3.8 个标准差。