[论文解读] Study of Dynamics of $D^0 o K^- e^+ u_{e}$ and $D^0 o\pi^- e^+ u_{e}$ Decays

F. De Mori, М. Н. Ачасов+400 more|arXiv (Cornell University)|Aug 30, 2015

Particle physics theoretical and experimental studies被引用 4

一句话总结

本研究基于在3.773 GeV能量下采集的2.92 fb$^{-1}$数据，利用BESIII实验，对半轻衰变 $D^0 \to K^- e^+ \bar{\nu}_e$ 和 $D^0 \to \pi^- e^+ \bar{\nu}_e$ 进行了迄今最精确的测量。结果确定了 $f_+^K(0)|V_{cs}| = 0.7172 \pm 0.0025 \pm 0.0035$ 和 $f_+^\pi(0)|V_{cd}| = 0.1435 \pm 0.0018 \pm 0.0009$，从而实现了对CKM矩阵元和形式因子的更高精度提取，为检验格点QCD和轻锥求和规则提供了依据。

ABSTRACT

In an analysis of a 2.92~fb$^{-1}$ data sample taken at 3.773~GeV with the BESIII detector operated at the BEPCII collider, we measure the absolute decay branching fractions to be $\\mathcal B(D^0 \ o K^-e^+\ u_e)=(3.505\\pm 0.014 \\pm 0.033)\\%$ and $\\mathcal B(D^0 \ o \\pi^-e^+\ u_e)=(0.295\\pm 0.004\\pm 0.003)\\%$. From a study of the differential decay rates we obtain the products of hadronic form factor and the magnitude of the CKM matrix element $f_{+}^K(0)|V_{cs}|=0.7172\\pm0.0025\\pm 0.0035$ and $f_{+}^{\\pi}(0)|V_{cd}|=0.1435\\pm0.0018\\pm 0.0009$. Combining these products with the values of $|V_{cs(d)}|$ from the SM constraint fit, we extract the hadronic form factors $f^K_+(0) = 0.7368\\pm0.0026\\pm 0.0036$ and $f^\\pi_+(0) = 0.6372\\pm0.0080\\pm 0.0044$, and their ratio $f_+^{\\pi}(0)/f_+^{K}(0)=0.8649\\pm 0.0112\\pm 0.0073$. These form factors and their ratio are used to test unquenched Lattice QCD calculations of the form factors and a light cone sum rule (LCSR) calculation of their ratio. The measured value of $f_+^{K(\\pi)}(0) |V_{cs(d)}|$ and the lattice QCD value for $f^{K(\\pi)}_+(0)$ are used to extract values of the CKM matrix elements of $|V_{cs}|=0.9601 \\pm 0.0033 \\pm 0.0047 \\pm 0.0239$ and $|V_{cd}|=0.2155 \\pm 0.0027 \\pm 0.0014 \\pm 0.0094$, where the third errors are due to the uncertainties in lattice QCD calculations of the form factors. Using the LCSR value for $f_+^\\pi(0)/f_+^K(0)$, we determine the ratio $|V_{cd}|/|V_{cs}|=0.238\\pm 0.004\\pm 0.002\\pm 0.011$, where the third error is from the uncertainty in the LCSR normalization. In addition, we measure form factor parameters for three different theoretical models that describe the weak hadronic charged currents for these two semileptonic decays. All of these measurements are the most precise to date.

研究动机与目标

• 利用大规模数据样本，高精度测量 $D^0 \to K^-e^+\bar{\nu}_e$ 和 $D^0 \to \pi^-e^+\bar{\nu}_e$ 衰变的绝对分支比。
• 通过微分衰变率分析，确定强子形式因子与CKM矩阵元的乘积 $f_+^K(0)|V_{cs}|$ 和 $f_+^\pi(0)|V_{cd}|$。
• 结合测量得到的形式因子乘积与格点QCD计算，提取CKM矩阵元 $|V_{cs}|$ 和 $|V_{cd}|$ 的绝对值。
• 利用测量数据检验未冻结格点QCD与轻锥求和规则（LCSR）对形式因子及其比值的预测。
• 为描述这些半轻衰变中弱强子电流的理论模型，提供迄今最精确的形式因子参数。

提出的方法

• 利用在 $\sqrt{s} = 3.773$ GeV 能量下，BESIII探测器在BEPCII上采集的2.92 fb$^{-1}$ 数据进行分析。
• 通过完全重建的 $D^0$ 衰变末态 $K^-e^+\bar{\nu}_e$ 和 $\pi^-e^+\bar{\nu}_e$，测量绝对分支比。
• 对微分衰变率进行拟合，以提取 $f_+^K(0)|V_{cs}|$ 和 $f_+^\pi(0)|V_{cd}|$，并施加来自测量分支比的约束。
• 将测量得到的形式因子乘积与格点QCD结果结合，以提取 $f_+^K(0)$ 和 $f_+^\pi(0)$，并确定 $|V_{cs}|$ 和 $|V_{cd}|$。
• 利用轻锥求和规则（LCSR）对形式因子比值 $f_+^\pi(0)/f_+^K(0)$ 的预测，通过不确定性传播提取 $|V_{cd}|/|V_{cs}|$。
• 将形式因子参数拟合至三种描述半轻 $D^0$ 衰变中弱强子电流的理论模型。

实验结果

研究问题

• RQ1 对 $D^0 \to K^-e^+\bar{\nu}_e$ 的绝对分支比，最精确的测量结果是什么？
• RQ2 从微分衰变率分析中，$f_+^K(0)|V_{cs}|$ 的最精确确定值是多少？
• RQ3 测量得到的 $f_+^K(0)$ 和 $f_+^\pi(0)$ 值与未冻结格点QCD计算结果相比如何？
• RQ4 当将测量得到的 $f_+^K(0)|V_{cs}|$ 与格点QCD形式因子预测结合时，$|V_{cs}|$ 的提取值是多少？
• RQ5 利用LCSR对形式因子比值的预测，所得到的 $|V_{cd}|/|V_{cs}|$ 比值的精度如何？

主要发现

• 测量得到 $D^0 \to K^-e^+\bar{\nu}_e$ 的绝对分支比为 $\mathcal{B} = (3.505 \pm 0.014 \pm 0.033)\%$。
• 测量得到 $D^0 \to \pi^-e^+\bar{\nu}_e$ 的绝对分支比为 $\mathcal{B} = (0.295 \pm 0.004 \pm 0.003)\%$。
• 确定乘积 $f_+^K(0)|V_{cs}| = 0.7172 \pm 0.0025 \pm 0.0035$。
• 确定乘积 $f_+^\pi(0)|V_{cd}| = 0.1435 \pm 0.0018 \pm 0.0009$。
• 利用格点QCD输入，提取得到强子形式因子 $f_+^K(0) = 0.7368 \pm 0.0026 \pm 0.0036$。
• 利用格点QCD输入，提取得到强子形式因子 $f_+^\pi(0) = 0.6372 \pm 0.0080 \pm 0.0044$。