Measurement of the decay B -> Dlnu in fully reconstructed events and determination of the Cabibbo-Kobayashi-Maskawa matrix element |Vcb|

Abstract

Die Physik subatomarer Teilchen wird durch das sogenannte Standardmodell der Teilchenphysik beschrieben. In der mathematischen Formulierung einer Quanteneichfeldtheorie beschreibt es die Phänomene von Elektromagnetismus, der schwachen und der starken Wechselwirkung. Innerhalb des tandardmodells werden Übergänge zwischen Quarks unterschiedlicher Generationen durch den sogenannten Cabibbo-Kobayashi-Maskawa (CKM)-Mechanismus beschrieben. Der CKM-Mechanismus wird dargestellt durch die unitäre 3x3 CKM-Matrix V, welche Massen-Eigenzustände der Quarks in ihre schwachen Eigenzustände rotiert. Die Unitarität reduziert die freien Parameter der CKM-Matrix auf drei Winkel und eine komplexe Phase. Diese sind fundamentale Parameter des Standardmodells, das heißt sie werden darin nicht vorhergesagt und müssen experimentell bestimmt werden. Das Ziel dieser Analyse ist die Messung des Betrags von Vcb - jenem Element der CKM-Matrix, welches für Übergänge von Bottom-Quarks zu Charm-Quarks verantwortlich ist. Die höchstmögliche Präzision in der Messung von |Vcb| kann durch die Analyse semileptonischer B-Meson Zerfälle erreicht werden. Die B-Mesonen für diese Analyse wurden am Belle Experiment am KEKB Elektron-Positron eschleuniger in Tsukuba, Japan über die Y(4S)-Resonanz produziert. Eine hohe Luminosität und der dominante Zerfallsmodus Y(4S)->B anti-B ergeben einen Datensatz reich an B-Mesonen. In jüngster Zeit gibt es ein gestiegenes Interesse an |Vcb|-Messungen mit semileptonischen B-Zerfällen, das sich darin begründet, dass die beiden am besten gemessenen Zerfallskanäle B->D*lnu und B->Xclnu Diskrepanzen in der Größe von zwei bis drei Standardabweichungen zeigen. In dieser Arbeit wird der Zerfall B->Dlnu zum ersten Mal mit dem vollen Belle-Datensatz an der Y(4S) Resonanz analysiert, welcher rund 770 Millionen B anti-B Ereignisse beinhaltet, um Einsichten in diese Diskrepanz zu erhalten und |Vcb| mit höherer Präzision zu bestimmen. Einer der zentralen Aspekte dieser Arbeit ist die volle Rekonstruktion von Ereignissen durch Zusammensetzen auch des zweiten B-Mesons aus dem Y(4S)->B anti-B Zerfall in einem hadronischen Modus. Dies führt zu der Kenntnis der Viererimpulse aller Teilchen eines Ereignisses mit Ausnahme des Neutrinos. Auf dieses kann man jedoch durch Viererimpulserhaltung Rückschlüsse ziehen und somit Signal von Untergrund trennen. Der dazu verwendete Parameter ist die fehlende rekonstruierte Masse in dem Ereignis. Die volle Rekonstruktion resultiert in einer starken Reduktion von kombinatorischem Untergrund und erhöht die Präzision, mit der die Kinematik des Zerfalls gemessen werden kann. Die Extraktion von |Vcb| führt über die differentielle Zerfallsbreite von B->Dlnu. Diese kann in einen leptonischen Strom und einen Formfaktor, welcher die hadronische Komponente beschreibt, faktorisiert werden. Ich messe die differentielle Zerfallsbreite in 10 Bins der kinematischen Variable w=vB*vD, wobei vB und vD jeweils die Vierergeschwindigkeiten des B- und D-Mesons sind. Um |Vcb| zu berechnen, nutze ich Formfaktor-Berechnungen von Gitter-QCD Gruppen und zwei verschiedene Methoden der Formfaktor-Parametrisierung. Ich interpretiere die gemessenen Zerfallsbreiten zuerst mit der Parametrisierung von Caprini, Lellouch und Neubert, und verwende eine Messung des Formfaktors bei w=0 der FNAL/MILC Kollaboration. Daraus erhalte ich den Wert |Vcb|*eta=(40.12+-1.34)10 -3, wobei eta nicht faktorisierbare elektroschwache Korrekturen beinhaltet. Eine etwas höhere Präzision konnte ich erreichen, indem ich die modellunabhängige Parametrisierung von Boyd, Grinstein und Lebed und mehrere Formfaktor-Daten von den Kollaborationen FNAL/MILC und HPQCD in einem kombinierten Fit verwendet habe. Dies resultiert in dem Wert |Vcb|*eta=(41.10+-1.14)10 -3$. Beide Werte liegen zwischen jenen der Messungen von B->D*lnu und B->Xclnu, ohne eine davon klar zu favorisieren. Des weiteren habe ich die Verzweigungsverhältnisse des Zerfalls B->Dlnu bestimmt und erhalte den gemittelten Wert BR(B0->Dlnu)=(2.31+-0.03(stat)+-0.11(syst))%.

The physics of subatomic particles is described by the so-called Standard Model of particle physics. It is formulated as a quantum gauge field theory and successfully describes electromagnetism, weak interaction and strong interaction. Within the Standard Model, the Cabibbo-Kobayashi-Maskawa (CKM) mechanism describes the transitions between quarks of different generations. This is expressed in the 3x3 CKM matrix V which rotates the mass eigenstates of quarks into their weak eigenstates. The unitarity of the matrix constrains it to 4 independent values: 3 angles and 1 complex phase. These are fundamental parameters of the Standard Model and thus need to be determined experimentally. The aim of this analysis is to measure the magnitude of Vcb, the entry in the CKM matrix responsible for the transition of bottom to charm quarks. The highest precision available for the determination of |Vcb| can be achieved by analyzing semileptonic B meson decays. The B mesons studied in this thesis were produced at the Belle experiment at the KEKB electron-positron collider in Tsukuba, Japan via the Y(4S) resonance. This offers a perfect environment for the study of semileptonic B decays due to the high luminosities and the dominant decay mode of Y(4S)->B anti-B, resulting in a data sample very rich in B mesons. Recent years have seen a lot of interest in semileptonic B decays due to discrepancies in the order of two to three standard deviations in |Vcb| between the best measured decay modes B->D*lnu and B->Xclnu. In this analysis B->Dlnu is analyzed for the first time using the full Belle data sample at the Y(4S) resonance containing about 770 million B anti-B pairs to give insight into this problem and to increase the precision of the value of |Vcb|. One of the key components of this thesis is the full reconstruction of events by also assembling the second B meson from the Y(4S)->B anti-B decay in a hadronic mode. This results in the knowledge of the kinematics of all involved final state particles with exception of the neutrino. 4-momentum conservation can then be used to infer the neutrino and distinguish signal from background via the mass missing in the decay. Full reconstruction greatly reduces combinatorial background and allows for high precision measurements of the B->Dlnu decay kinematics. |Vcb| is extracted using the differential decay width of B->Dlnu which can be decomposed into the leptonic current and a form factor describing the hadronic components. I determine the B->Dlnu decay width in 10 bins of the kinematic variable w=vB*vD, where vB and vD are the 4-velocities of the B and D mesons. In order to measure |Vcb| I use calculations of the form factor by Lattice QCD groups and two different parameterization schemes. Interpreting the decay width with the B->Dlnu form-factor parameterization by Caprini, Lellouch and Neubert and using the predicted form factor at zero hadronic recoil by FNAL/MILC, the value |Vcb|*eta=(40.12+-1.34)10 -3 is obtained, where eta accounts for non-factorizable electroweak corrections. A slightly higher precision is possible utilizing the model-independent form-factor description by Boyd, Grinstein and Lebed and using multiple form-factor data from FNAL/MILC and HPQCD, leading to the value |Vcb|*eta=(41.10+-1.14)10 -3. In relation to |Vcb| determined from B->Xclnu and B->D*lnu, these values fall into the middle, not clearly favoring either. I further determine the branching ratios of the decay B->Dlnu to be BR(B0->Dlnu)=(2.31+-0.03(stat)+-0.11(syst)).