Determination of |Vcb| using B -> Dlνl decays in Belle II data

Abstract

Diese Dissertation behandelt die langjährig beobachtete Abweichung zwischen exklusiven und inklusiven Bestimmungen des CKM-Matrixelements |Vcb|, indem der exklusive Ansatz mittels B^+ -> D^0 l^+ nu und B0 -> D^− l^+ nu Zerfällen untersucht wird. Unter Verwendung von Daten des Belle II-Experiments, welches seinen Betrieb in 2019 aufnahm, wird eine umfangreiche Datenmenge von B-Meson-Zerfällen analysiert. Die Dissertation präsentiert ein vorläufiges Ergebnis basierend auf Daten, die zwischen 2019 und 2021 gesammelt wurden, sowie eine aktualisierte Messung mit etwa der doppelten Datenmenge. Um die differentiellen Zerfallsraten zu bestimmen werden die Signalraten der verschiedenen Endzustände als Funktion des hadronischen Rückstoßes w extrahiert und in differentielle Zerfallsraten umgewandelt. Der theoretische Formfaktor beschreibt die Abhängigkeit der differentiellen Zerfallsraten von w. Ein Fit des Formfaktors an die gemessenen Zerfallsraten, unter Verwendung von zusätzlichen theoretischen Daten, ermöglicht die Messung von |Vcb|. Rekonstruktion von B → Dlnu Zerfällen in einer Datenmenge von 189 fb^{-1} und Verwendung des Formfaktors in der Parametrisierung von Boyd, Grinstein und Lebe, ergibt |Vcb| = (38.28 ± 1.16) × 10^{−3} , wobei der Fehler aus Unsicherheiten aus statistischen und systematischen Quellen sowie theoretischen Eingaben besteht. Das Ergebnis liegt innerhalb einer Standardabweichung des weltweiten Durchschnitts aller exklusiven Bestimmungen |Vcb| = (39.10 ± 0.50) × 10^{−3}. Die gesamte relative Unsicherheit auf |Vcb| entspricht etwa 3%, vergleichbar mit der Messung von B -> D l nu Zerfällen bei Belle, die mit einem etwa viermal größeren Datensatz eine Gesamtunsicherheit von etwa 2.8% aufweist. Die Sensitivitätsschätzung für die aktualisierte Messung prognostiziert eine Reduktion der relativen Unsicherheit auf etwa 2.1%, was einer weltweit führenden Präzision für die Messung von |Vcb| mit B -> D l nu Zerfällen entspricht. Diese Verbesserung ist unter anderem auf eine größere Datenmenge, verbesserte Signalextraktion und detaillertere Behandlung von systematischen Unsicherheiten zurückzuführen. Darüber hinaus kann eine Messung der Lepton-Flavour-Universalität durchgeführt werden, indem Verzweigungsverhältnisse mit Elektronen im Endzustand mit denen mit Myonen verglichen werden. Die geschätzte gesamte Unsicherheit auf Re/mu beträgt 2%.

This thesis addresses the long-standing tension between exclusive and inclusive determinations of the CKM matrix element |Vcb| by focusing on the exclusive approach using B^+ → D^0 l^+ nu and B0 → D^− l^+ nu decays. Leveraging data from the Belle II experiment, which began operations in 2019, a substantial data sample of B meson decays is analyzed. The thesis presents a preliminary result based on data collected between 2019 and 2021, and an updated measurement using a data sample approximately twice that size. A binned template fit is employed to extract the signal yields for the different modes in bins of the hadronic recoil w. The signal yields are unfolded and converted into differential decay rates. The theoretical form factor describes the shape of the differential decay rates as a function of w. A fit of the form factor to decay rates measured in experiment, with data from theory as additional constraining factor, allows measuring |Vcb|. Fitting the form factor in the parameterization by Boyd, Grinstein and Lebed to a spectrum of differential decay rates obtained from reconstructing B → D l nu decays in a data sample corresponding to 189 fb−1 yields |Vcb| = (38.28 ± 1.16) × 10^{−3}, with the error comprising uncertainties from statistical and systematic sources, as well as contributions from theoretical inputs. The result lies within one standard deviation of the world average across all exclusive determinations |Vcb| = (39.10 ± 0.50) × 10^{−3}. The measurement is sensitive to |Vcb| at a total relative uncertainty of ∼3%, comparable to the Belle measurement of B → D l nu decays, resulting in a total uncertainty of ∼2.8% using a data sample approximately four times larger. The sensitivity estimate for the updated measurement projects a relative uncertainty reduction to approximately 2.1%, corresponding to world-leading precision for measuring |Vcb| with the D l nu final state. This improvement is attributed to, among other factors, an increased data sample, enhanced signal extraction, refined unfolding methods, and improved form factor fitting. In addition, light-lepton flavour universality can be measured by comparing branching ratios with electrons in the final state to those with muons, with an estimated total sensitivity on Re/mu of 2%.