Title: Measurement of the B⁰ → D*⁻ ℓ⁺ νℓ branching fraction using the Belle II data
Other Titles: Messung des B0 → D * - l + νl Verzweigungsverhältnisses anhand der Belle II-Daten
Language: English
Authors: Dorner, Daniel 
Qualification level: Diploma
Advisor: Schwanda, Christoph 
Issue Date: 2020
Number of Pages: 73
Qualification level: Diploma
Abstract: 
The goal of this master thesis is to measure the branching fraction of the B meson decay B → D∗lνl (l = e,μ) by analysing the early data obtained at the ongoing Belle II experiment. Belle II is being conducted at the asymmetric electron positron collider SuperKEKB by the Japanese High Energy Accelerator Research Organisation (KEK). This collider is located in Tsukuba, Japan and the experiment started taking data in early 2018. Semileptonic decays like B → D∗lνl can be used to make high precision measurements of the matrix element |Vcb| of the 3 × 3 Cabibbo-Kobayashi-Maskawa (CKM) Matrix. The CKM-Matrix describes the quark mixing occurring in weak interactions. E.g. the matrix element |Vcb| describes the transition between bot- tom and charm quarks. For this data analysis the B meson of the B → D∗lνl decay was reconstructed using the two sub-decays D∗ → Dπ and D → Kπ. The reconstruction was done using the Belle II software framework basf2. It was performed on the early data set of 34.6 fb−1 obtained at Belle II and compared to Monte Carlo (MC) generated samples with an integrated luminosity of 200 fb−1. After the reconstruction of the B meson candidates the signal selection was optimised based on signal peaks in various distributions and the figure of merit. Following the signal selection the Data-MC agreement was checked and discrepancies corrected by implementing correction weights. The signal was then extracted from the reconstructed data events using a maximum likelihood fit based on the MC sample. Using the number of signal events estimated by the fit, the efficiency of the reconstruction chain, the number of B mesons contained in the data sample and the world average branching fractions of the sub-decays D∗ → Dπ and D → Kπ provided by the Particle Data Group (PDG) the branching fraction of B → D∗lνl was determined. After calculating the branching fraction the total relative systematic uncertainty of the measurements were determined. This analysis yielded branching fractions of (4.669±0.078(stat)±0.495(sys))% and (4.576 ± 0.067(stat) ± 0.494(sys))%, for the electron and muon mode, respectively. Additionally the combined branching fraction was determined by calculating the uncertainty weighted mean of both modes, which resulted in (4.616 ± 0.051(stat) ± 0.499(sys))%. The world average of (5.05 ± 0.14)% pro- vided by the PDG lies within the range of the total uncertainty of these measurements. To test the lepton universality of the weak interaction the ratio between the electron and muon mode branching fraction was calculated, which yielded 1.020 ± 0.023(stat) ± 0.106(sys). Unity is predicted by the Standard Model for this ratio and lies within the range of the statistical uncertainty. A cross check of the final results was done with an indepedent analysis of the same decay mode by the PhD student Chaoyi Lyu from Bonn university to verify the analysis process of this thesis. This cross check showed that while using different techniques the results of both independent analyses agree within the statistical uncertainties.

Das Ziel dieser Masterarbeit ist es eine Messung des Verzweigungsverhältnisses des B Mesonen Zerfalls B ‎→ D∗lνl (l = e, μ) durchzuführen anhand einer Analyse der Daten, die in den frühen Phasen des Belle II Experiments aufgezeichnet worden sind. Belle II wird am asymmetrischen Elektron-Positron Collider SuperKEKB von der Japanischen Hochenergie Beschleuniger Forschungsorganisation (KEK) durchgeführt. Der Collider befindet sich in Tsukuba, Japan und das Experiment hat mit der Aufzeichnung von Daten Anfang 2018 begonnen.Semileptonische Zerfälle wie B → D∗lνl können dazu verwendet werden um das Matrixelement |Vcb| der 3 × 3 Cabibbo-Kobayashi-Maskawa (CKM) Matrix mit hoher Präzession zu messen. Die CKM Matrix beschreibt die Mischung von Quarks, die bei der schwachen Wechselwirkung beobachtet werden kann. Zum Beispiel beschreibt das Matrixelement |Vcb| den Übergang von Bottom zu Charm Quarks.Für die Datenanalyse wurden B Mesonen des Zerfalls B → D∗lνl unter Verwendung der zwei Unterzerfälle D∗ → Dπ und D → Kπ rekonstruiert. Der Rekonstruktionsprozess wurde mit dem Belle II Software Framework basf2 durchgeführt. Es wurde ein Datensatz von 34.6 fb−1, der bei Belle II aufgezeichnet worden ist, verwendet und mit Monte Carlo (MC) generierten Simulationen mit einer integrierten Luminosität von 200 fb−1 verglichen. Nach der Rekonstruktion der B Meson Kandidaten wurde die Signalauswahl basierend auf Signal Peaks in verschiedenen Verteilungen und der Figure of Merit optimiert. Nach der Optimierung des Signals wurde die Übereinstimmung zwischen MC und Daten überprüft und Diskrepanzen durch die Implementierung von Korrekturgewichten korrigiert. Das Signal wurde von den rekonstruierten Ereignissen des Datensatzes mit Hilfe eines Maximum Likelihood Fits basierend auf den MC Simulationen extrahiert. Unter Verwendung der vom Fit geschätzten Anzahl von Signal Ereignissen, der Effizienz der Rekonstruktionskette, der Anzahl von B Mesonen, die im Datensatz enthalten sind, und des weltweiten Durchschnittswertes der Verzweigungsverhältnisse von den Unterzerfällen D∗ → Dπ und D → Kπ, die von der Particle Data Group (PDG) bereitgestellt werden, wurde das Verzweigungsverhältnis von B → D∗lνl bestimmt. Nach der Berechnung des Verzweigungsverhältnisses wurde die totale, relative systematische Unsicherheit der Messung bestimmt.Die Analyse führte zu einem Verzweigungsverhältnis von (4.669±0.078(stat)± 0.495(sys))% und (4.576 ± 0.067(stat) ± 0.494(sys))% für die Elektronen bezie- hungsweise Myonen Mode. Ebenso wurde das kombinierte Verzweigungsverhält- nis beider Moden mit Hilfe eines nach Unsicherheiten gewichteten Mittelwerts berechnet, der zu einem Ergebnis von (4.616±0.051(stat)±0.499(sys))% führte. Der weltweite Durchschnittswert liegt bei (5.05 ± 0.14)% laut PDG und ist somit innerhalb der gesamten Messunsicherheit der Messungen. Um die Leptonen- Universalität der schwachen Wechselwirkung zu testen wurde das Verhältnis des Verzweigungsverhältnisses der Elektronen Mode zur Myonen Mode berechnet, was zu einem Ergebnis von 1.020 ± 0.023(stat) ± 0.106(sys) führte. Ein Verhältnis von 1 wird von dem Standard Model vorausgesagt, was innerhalb des statistischen Fehlers liegt.Eine Gegenprobe der Ergebnisse wurde mit einer unabhängigen Analyse desselben Zerfalls des PhD Studenten Chaoyi Lyu der Universität von Bonn durchgeführt um die Vorgangsweise bei der Analyse dieser Masterarbeit zu verifizieren. Diese Gegenprobe hat gezeigt, dass obwohl verschiedene Techniken verwendet wurden die Ergebnisse der beiden unabhängigen Analysen gut übereinstimmen und die Ergebnisse innerhalb der statischen Messunsicherheit liegen.
Keywords: Belle II; B Zerfall; CKM-Matrix
Belle II; B decay; CKM matrix
URI: https://doi.org/10.34726/hss.2020.80467
http://hdl.handle.net/20.500.12708/16299
DOI: 10.34726/hss.2020.80467
Library ID: AC16081574
Organisation: E141 - Atominstitut 
Publication Type: Thesis
Hochschulschrift
Appears in Collections:Thesis

Files in this item:

Show full item record

Page view(s)

19
checked on May 28, 2021

Download(s)

62
checked on May 28, 2021

Google ScholarTM

Check


Items in reposiTUm are protected by copyright, with all rights reserved, unless otherwise indicated.