[论文解读] Semitauonic B decays at Belle/Belle II

K. Adamczyk|arXiv (Cornell University)|Jan 18, 2019

Particle physics theoretical and experimental studies被引用 12

一句话总结

本论文基于Belle实验收集的7.72亿对B$$\bar{B}$$事例，首次测量了$B^0 \to D^{*-} \tau^+ \nu_\tau$衰变中$D^{*}$的极化。测得的纵向极化分数$F_L^{D^*} = 0.60 \pm 0.08$（统计）$\pm 0.04$（系统）与标准模型一致；未来Belle II数据将显著提升对$R(D^{(*)})$、$P_\tau^{D^*}$和$F_L^{D^*}$的测量精度，从而探测半轻子B衰变中的新物理。

ABSTRACT

It is experimentally observed that ratios of branching fractions for semitauonic and semileptonic $B$ decays, known as the $R(D^{(*)})$, are higher than Standard Model (SM) predictions. The $B o \bar{D}^{(*)} τ^{+} ν_τ$ decays, except for the branching fractions, offer also other observables, in particular, angular observables may determine spin structure of a potential New Physics (NP) providing some clues to explain the $R(D^{(*)})$ puzzle. In this review, polarization measurements in $B o \bar{D}^{*} τ^{+} ν_τ$ decays at Belle are presented and prospects for measurements of characteristics of semitauonic $B$ decays at Belle/Belle II are described.

研究动机与目标

• 测量$B^0 \to D^{*-} \tau^+ \nu_\tau$衰变中$D^{*}$的极化分数$F_L^{D^*}$，以探测标准模型之外的潜在新物理。
• 解决长期存在的$R(D^{(*)})$异常问题，即实验测得的分支比之比超出标准模型预测2.3至3.0个标准差。
• 通过先进的重建技术与未来Belle II数据，提升$R(D)$和$R(D^*)$的测量精度。
• 研究微分分布与角观测量（如轻子和矢量介子极化），以区分不同新物理模型。
• 利用高统计量的Belle II数据，同时确定$R(D)$、$R(D^*)$和$R(D^{**})$，以减小系统误差。

提出的方法

• 采用完整重建标记（FR）方法，利用精确的$B$衰变模式，实现高纯度与完整的运动学重建，以确定$B_{\text{tag}}$。
• 在BASF2软件框架中使用基于提升决策树（BDT）的多变量分析方法，提升信号效率并抑制背景。
• 通过螺旋角$\theta_{\text{hel}}^{D^*}$重建$D^{*}$极化，其定义为在$D^{*}$静止参考系中，$D$介子动量与$B$方向之间的夹角。
• 利用$\tau$静止参考系中的螺旋角$\theta_{\text{hel}}^{\tau}$测量$\tau$极化，适用于$\tau \to \pi \nu_\tau$衰变。
• 采用包含式重建$B_{\text{tag}}$以提高信号效率，尤其对$F_L^{D^*}$的确定有帮助。
• 基于5 ab$^{-1}$和50 ab$^{-1}$的Belle II数据，预测未来测量的精度，统计与系统误差在表1中量化。

实验结果

研究问题

• RQ1 在$B^0 \to D^{*-} \tau^+ \nu_\tau$衰变中，测得的纵向极化分数$F_L^{D^*}$是多少？其与标准模型预测相比如何？
• RQ2 $R(D^{(*)})$异常是否可由新物理解释？极化观测量在区分此类模型中起到什么作用？
• RQ3 Belle II的更高亮度与更优重建效率将如何提升对$R(D^{(*)})$、$P_\tau^{D^*}$和$F_L^{D^*}$的测量精度？
• RQ4 在$R(D^{(*)})$测量中，主要的系统误差来源是什么？未来数据与分析技术如何减小这些误差？
• RQ5 能否通过同时测量$R(D)$、$R(D^*)$和$R(D^{**})$来区分半轻子B衰变中的新物理贡献？

主要发现

• 在$B^0 \to D^{*-} \tau^+ \nu_\tau$衰变中，测得的$D^{*}$纵向极化分数为$F_L^{D^*} = 0.60 \pm 0.08$（统计）$\pm 0.04$（系统），与标准模型预测的$0.457 \pm 0.010$一致。
• 测得的$F_L^{D^*}$值位于各种标准模型估计值的1.6至1.8个标准差范围内，表明目前与标准模型无显著偏离。
• 在50 ab$^{-1}$数据下，Belle II预计可将$R(D)$的相对不确定度降至2%，$R(D^*)$降至1%，主要受限于系统误差。
• 在50 ab$^{-1}$数据下，预期$P_\tau^{D^*}$（$\tau$极化）的精度可达$\pm 0.06$（统计）$\pm 0.04$（系统），足以对新物理模型进行敏感检验。
• 在50 ab$^{-1}$数据下，预计$F_L^{D^*}$的精度可达$\pm 0.01$（统计）$\pm 0.04$（系统），假设标记与重建性能与Belle相当。
• 在$R(D^{(*)})$测量中，主要系统误差来源为$D^{**}$组分的分支比及含有中性粒子的多夸克$B$衰变，未来Belle II数据将更好地约束这些参数。