Measurement of the partial branching fraction for inclusive semileptonic B meson decays to light hadrons B→X_1tnulv and an improved determination of the quark mixing matrix element V_1tnu_1tnb [Elektronische Ressource] / von Alexei Volk

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• Physik

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• Publié le: 01 janvier 2009
• Nombre de lectures: 7
• Langue: English
• Poids de l'ouvrage: 2 Mo

Extrait

Measurement of the Partial Branching Fraction for
Inclusive Semileptonic B Meson Decays to Light Hadrons
B→ X l and an Improved Determination of the Quark-u
Mixing Matrix Element|V |ub
DISSERTATION
zur Erlangung des akademischen Grades
Doctor rerum naturalium
(Dr. rer. nat.)
vorgelegt
der Fakultät Mathematik und Naturwissenschaften
der Technischen Universität Dresden
von
Diplom-Physiker Alexei Volk
geboren am 16. Februar 1978 in Winogradnoje
nGutachter :Abstract
This thesis presents an analysis of inclusive semileptonic B→ X e decays using approximatelyu e
454 million (4S)→ BB decays collected during the years 1999 to 2008 with the BABAR detector.
2The electron energy, E , and the invariant mass squared of the electron-neutrino pair, q , are recon-e
structed, where the neutrino kinematics is deduced from the decay products of both B mesons. The
final hadronic state, X , consists of a sum of many hadronic channels, each of which contains at leastu
2one u quark. The variables q and E are then combined to compute the maximum kinematicallye
maxallowed invariant mass squared of the hadronic system, s . Using these kinematic quantities, theh
partial branching fraction, B(B→ X l ), unfolded for detector effects, is measured to beu
max 2 −4B(E > 2.0GeV,s < 3.52GeV )=(3.33± 0.18± 0.21)× 10e h
in the (4S) and
max 2 −4˜ ˜B(E > 1.9GeV,s˜ < 3.5GeV )=(4.57± 0.24± 0.32)× 10e h
in the B meson rest frames. The quoted errors are statistical and systematic, respectively. The CKM
˜matrix element|V | is determined from the measured B using theoretical calculation based onub
Heavy Quark Expansion. The result is
+0.26+0.26 −3|V |=(4.19± 0.18 )× 10 ,ub −0.20−0.25
where the errors represent experimental unceratinties, uncertainties from HQE parameters and
theoretical uncertainties, respectively.
Kurzfassung
In dieser Dissertation wird eine Analyse von inklusiven semileptonischen B→ X e Zerfällenu e
präsentiert. Die Daten wurden in den Jahren von 1999 bis 2008 mit dem BABAR Detektor
aufgezeichnet und entsprechen ungefähr 454 Millionen (4S)→ BB Zerfällen. Es werden die
Energie des Elektrons, E , und das Quadrat der invarianten Masse des Elektron-Neutrino-Systems,e
2q , rekonstruiert. Die Kinematik des Neutrinos wird aus den Zerfallsprodukten beider B-Mesonen
abgeleitet. Der hadronische Endzustand, X , ist eine Summe aus vielen hadronischen Zuständen,u
2von denen jeder mindestens ein u Quark enthält. Die Grössen q und E werden zu einer weit-e
maxeren Variable, s , kombiniert, die das Quadrat der invarianten Masse des hadronischen Systemsh
darstellt. Mit Hilfe dieser kinematischen Grössen wird das folgende partielle
Verzweigungsverhältnis, B(B→ X l ), gemessen:u
max 2 −4B(E > 2.0GeV,s < 3.52GeV )=(3.33± 0.18± 0.21)× 10e h
im (4S)- und
max 2 −4˜ ˜B(E > 1.9GeV,s˜ < 3.5GeV )=(4.57± 0.24± 0.32)× 10e h
in B-Ruhesystem. Die angegebene Fehler sind statistisch und systematisch. Das CKM-Matrixelement
˜|V | wird aus der Messung des partiellen Verzweigungsverhältnis, B, und einer Berechnung imub
Rahmen der Theorie der “Heavy Quark Expansion” bestimmt. Das Ergebnis ist
+0.26+0.26 −3|V |=(4.19± 0.18 )× 10 ,ub −0.20−0.25
wobei die angegebenen Fehler experimentelle Unsicherheiten, Unsicherheiten aus HQE-Parametern
und theoretische Unsicherheiten darstellen.
Dnn¡¡¡D¡nDDnDDDDContents
1 Introduction 1
1.1 Overview . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1
1.2 Outline . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1
2 Theory and Motivation 3
2.1 The Standard Model . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3
2.1.1 Symmetry Breaking and Mass Generation . . . . . . . . . . . . . 3
2.1.2 Weak Interactions and the CKM Matrix . . . . . . . . . . . . . . 4
2.2 Semileptonic B Meson Decays . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6
2.2.1 Exclusive Semileptonic Decays . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7
2.2.2 Inclusive Semileptonic Decays . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10
2.2.2.1 Differential Decay Rates . . . . . . . . . . . . . . . . 11
22.3 The q − E Approach . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15l
3 The BABAR Experiment 17
3.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17
3.2 The BABAR Detector . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17
3.2.1 The Silicon Vertex Tracker (SVT) . . . . . . . . . . . . . . . . . 19
3.2.2 The Drift Chamber (DCH) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19
3.2.3 The Cherenkov Detector (DIRC) . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19
3.2.4 The Electromagnetic Calorimeter (EMC) . . . . . . . . . . . . . 21
3.2.5 The Instrumented Flux Return (IFR) . . . . . . . . . . . . . . . . 22
4 Analysis Strategy 25
4.1 Overview . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25
4.2 Data Sets . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25
4.3 Monte Carlo Simulation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 26
4.3.1 Simulation of Signal Events . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 26
4.3.2 HQE parameters . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 28
4.3.3 Background Simulation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 30
4.4 Event Selection . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31
4.4.1 Event Preselection . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31
4.4.2 Charged Track Selection . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 32
4.4.3 Neutral Candidate Selection . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33
4.4.4 Selection of Composite Particle Candidates . . . . . . . . . . . . 34
4.4.5 Particle Identification . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 34
4.5 Neutrino Reconstruction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 35
∗4.6 Partial Reconstruction of B→ D ℓ Decays . . . . . . . . . . . . . . . . 36
4.6.1 Low-Momentum Pion Reconstruction . . . . . . . . . . . . . . . 38
i
nContents
∗4.6.2 Inclusive D Reconstruction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 38
∗4.6.3 B→ D ℓ Veto Definition . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 40
4.7 Continuum Subtraction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 42
4.8 Optimization Procedure . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 46
4.8.1 Discriminating Variables . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 47
4.8.2 Optimization Technique . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 49
4.8.3 Optimization Results . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 51
4.9 Comparison Between Data and Simulation . . . . . . . . . . . . . . . . . 52
5 Control Sample 71
05.1 Selection of B→ D e events . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 71e
5.2 Adjusting the Monte Carlo Efficiency . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 72
5.3 Results of the Control Sample Studies . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 75
6 Signal Extraction 83
6.1 Signal Extraction Procedure . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 83
7 Systematic Uncertainties 87
7.1 Evaluation Procedure for Systematic Uncertainties . . . . . . . . . . . . 87
7.2 Signal simulation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 87
7.3 Background simulation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 88
7.4 Detector Simulation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 92
7.4.1 Track selection efficiency . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 92
7.4.2 Neutrals selection efficiency . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 94
7.4.3 Particle identification . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 94
07.4.4 Modeling of K Meson . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 96L
7.4.5 Reconstruction of composite particles . . . . . . . . . . . . . . . 96
7.4.6 Bremsstrahlung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 97
7.4.7 Final state radiation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 97
7.5 Beam energy correction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 98
7.6 B-meson counting . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 100
7.7 Summary of systematic uncertainties . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 101
8 Results 105
8.1 Measurement of B(B→ X e ) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 105u e
8.2 Stability Studies . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 107
8.3 Extraction of|V | and Outlook . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 108ub
9 Summary and Conclusion 117
Bibliography 119
ii
nDnnList of Figures
2.1 The unitarity triangle . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5
2.2 The global CKM fit results in the − plane . . . . . . . . . . . . . . . 6
2.3 Angles , , and . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10l V
2.4 Semileptonic B meson decays . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11
22.5 Distribution of B→ X l and B→ X l decays in the q − E plane . . . 16c u l
3.1 Integrated luminosity . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18
3.2 The PEP-II storage rings and the linear colider . . . . . . . . . . . . . . . 19
3.3 Schematic view of the BABAR detector . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20
3.4 Longitudinal section through the SVT . . . . . . . . .