Measurement of the CKM matrix element |Vcb| using the decay B -> D*lνl at Belle II

Abstract

Im Standardmodell der Teilchenphysik wird der experimentell beobachtete Übergang zwischen Quarks durch die Cabibbo-Kobayashi-Maskawa Matrix beschrieben. Dabei ist die Übergangsrate von Bottom- zu Charm-Quarks proportional zur Größe des Matrixelements |Vcb|. Darüber hinaus ist |Vcb| einer der fundamentalen Parameter des Standardmodells, d.h. die Größe kann nicht allein durch Theorie bestimmt werden. Diese Arbeit zielt darauf ab, |Vcb| aus Daten zu extrahieren, die durch das Belle II Experiment am SuperKEKB- Beschleuniger in Tsukuba, Japan, gewonnen wurden. Dieser Beschleuniger kollidiert Elektronen und Positronen mit einer Schwerpunktsenergie von 10,58 GeV und begann 2019 mit der Datennahme. Der verwendete Datensatz für diese Studie entspricht einer integrierten Luminosität von 364 fb−1. Zum Zeitpunkt des Schreibens ist die Bestimmung von |Vcb| durch semileptonische B → Xclνl Zerfälle der bevorzugte Ansatz. Das B steht für ein B-Meson, Xc für ein hadronisches System, das ein Charm-Quark enthält und l ist ein geladenes, leichtes Lepton, d.h. entweder ein Elektron oder ein Myon mit dem zugehörigen Neutrino νl. Diese Messungen können mit zwei verschiedenen Ansätzen durchgeführt werden: dem inklusiven und dem exklusiven Ansatz. Bei inklusiven Messungen werden alle B → Xclνl Endzustände rekonstruiert, während bei exklusiven Messungen explizit eine Zerfallskette untersucht wird, z.B. B0 → D∗+l−νl. Obwohl man eine Übereinstimmung zwischen der Ergebnisse der beiden Methoden erwartet, gibt es eine lang anhaltende Spannung von 3,3σ zwischen inklusiven und exklusiven Messungen, was die Motivation hinter dieser Arbeit ist. Die Extraktion von |Vcb| wird anhand der Rekonstruierung von B0 → D∗+l−νl mit den Unterzerfällen D∗+ → D0π+ und D0 → K−π+ untersucht. Durch die Bestimmung der Anzahl der Signal-Kandidaten aus dem Datensatz können die partiellen Zerfallsraten ∆Γ/∆w∆ cos θl bestimmt werden, wobei es sich bei w um den hadronischen Rückstoß handelt und bei cos θl um eine kinematische Winkelvariable. Diese partiellen Zerfallsraten sind mit |Vcb| verknüpft. Die Zusammenhänge können mittels zwei verschiedener Parametrisie- rungen beschrieben werden, der Boyd-Grinstein-Lebed und der Caprini-Lellouch-Neubert Parametrisierung. Das Matrixelement |Vcb| und die Formfaktoren können für beide Parame- trisierungen durch einen numerischen Fit an die partiellen Zerfallsraten gemessen werden. Mit dieser Methode messen wir |Vcb|BGL = (38.100 ± 0.194 ± 0.754 ± 0.674) × 10−3 und |Vcb|CLN = (38.582 ± 0.247 ± 0.844 ± 0.560) × 10−3 für die Boyd-Grinstein-Lebed und die Caprini-Lellouch-Neubert Parametrisierung anhand von Simulationen mit wettbewerbsfähiger Präzision. Die angegebenen Unsicherheiten in der Reihenfolge ihres Auftretens sind statistisch, systematisch und theoretisch.

In the standard model of particle physics the experimentally observed quark mixing is described by Cabibbo-Kobayashi-Maskawa matrix. The transition rate from bottom to charm quarks is proportional to the matrix element magnitude |Vcb|. Additionally |Vcb| is one of the fundamental parameters of the standard model, i.e. it can not be determined by theory alone. This thesis aims to extract |Vcb| from data obtained by the Belle II experiment at the SuperKEKB collider in Tsukuba, Japan, which collides electrons and positrons at a center of mass energy of 10.58 GeV and started taking data in 2019. The data sample size used for this study is equivalent to an integrated luminosity of 364 fb−1. At the time of writing determining |Vcb| through semileptonic B → Xclνl decays is the favored approach. The B corresponds to a B meson, Xc a hadronic system containing a charm quark and l is a charged, light lepton, i.e. either an electron or muon with its associated neutrino νl. These measurements can be done using two different approaches, namely inclusive and exclusive. For an inclusive measurement all B → Xclνl final states are reconstructed, while exclusive measurements investigate a single decay chain, e.g. B0 → D∗+l−νl. While both approaches use different theoretical inputs their results should be the same. However, there is a long standing 3.3σ tension between inclusive and exclusive measurements, which is the main motivation behind this thesis. In this thesis the extraction of |Vcb| is studied by reconstructing B0 → D∗+l−νl decays through the subsequent decays D∗+ → D0π+ and D0 → K−π+. By extracting the amount of signal candidates from the sample the partial decay rates ∆Γ/∆w∆cosθl in bins of the hadronic recoil w and the angular kinematic variable cosθl can be determined. These partial decay rates are related to |Vcb| and these relations can be described via two different parameterizations, i.e. the Boyd-Grinstein-Lebed and Caprini-Lellouch-Neubert parameterizations. The matrix element |Vcb| and the form factors can be measured for both parameterizations via a numerical fit to the decay rates. Through this analysis strategy we measure |Vcb|BGL = (38.100±0.194±0.754±0.674)×10−3 and |Vcb|CLN = (38.582 ± 0.247 ± 0.844 ± 0.560) × 10−3, for the Boyd-Grinstein-Lebed and Caprini-Lellouch-Neubert parameterizations, respectively from simulations with a competitive precision. The provided uncertainties in order of appearance are statistical, systematic and theoretical.