Measurement of CKM-angle gamma with Charmed B0 Meson Decays

232 Pages·2007·6.23 MB·English

SLAC-R-858

Measurement of CKM-angle gamma with Charmed B0 Meson Decays

Max Arjen Baak

SLAC-R-858

Prepared for the Department of Energy
under contract number DE-AC02-76SF00515
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“thesis” — 2006/12/8 — 11:48 — page 3 — #3
VRIJEUNIVERSITEIT
Measurement of CKM-angle γ
with charmed B0 meson decays
ACADEMISCHPROEFSCHRIFT
terverkrijgingvandegraadDoctoraan
deVrijeUniversiteitAmsterdam,
opgezagvanderectormagnificus
prof.dr.L.M.Bouter,
inhetopenbaarteverdedigen
tenoverstaanvandepromotiecommissie
vandefaculteitderExacteWetenschappen
opmaandag5februari2007om13.45uur
indeaulavandeuniversiteit,
DeBoelelaan1105
door
MaxArjenBaak
geborenteZaandam
“thesis” — 2006/12/8 — 11:48 — page 4 — #4
promotor: prof.dr.ing.J.F.J.vandenBrand
copromotor: dr.H.G.Raven
“thesis” — 2006/12/8 — 11:48 — page 5 — #5
Half a bee, philosophically,
must, ipso facto, half not be.
But half the bee has got to be,
vis-`a-vis its entity. D’you see?
But can a bee be said to be
or not to be an entire bee,
when half the bee is not a bee,
due to some ancient injury?
MontyPython,
Eric The Half A Bee
“thesis” — 2006/12/8 — 11:48 — page 6 — #6
“thesis” — 2006/12/8 — 11:48 — page i — #7
Contents
1 Introduction 1
2 CP violation and B physics 3
2.1 CP violationinquantumfieldtheory . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3
2.2 CP violationthroughinterference . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4
2.3 CP violationinweakinteractions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5
2.4 TheUnitarityTriangle . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7
2.5 CP violationinB decays . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10
2.5.1 B0B0 oscillation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10
2.5.2 Time-evolutionofcoherentB0B0 states . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12
2.5.3 Twopopularexamples . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13
2.5.4 ThreetypesofCP violationinB decays . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16
2.5.5 Measurementsofα,β,γ usingB decays . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18
2.6 TheCKM-angleγ fromB0→D(∗)∓π± andB0→D∓ρ± decays . . . . . . . . . 19
2.6.1 Observations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22
2.7 Analysisstrategy . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23
2.7.1 Strategyformeasurementoftime-dependentCP asymmetries . . . . . . 24
2.7.2 Experimentalrequirements . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25
3 The BABAR experiment 27
3.1 Designconsiderations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27
3.2 Theasymmetrice+e− colliderPEP-II . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 28
3.3 TheBABARdetector . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 30
3.3.1 SiliconVertexTracker(SVT) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31
3.3.2 DriftChamber(DCH) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 32
3.3.3 DetectorofinternallyreflectedCˇerenkovlight(DIRC) . . . . . . . . . . 33
3.3.4 Electromagneticcalorimeter(EMC) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 34
3.3.5 Instrumentedfluxreturn(IFR) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 35
3.3.6 Triggersystemanddataacquisition . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 36
3.4 Datasample. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 36
3.5 MonteCarlosample . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 37
3.6 Particlereconstruction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 37
3.6.1 Chargedparticlereconstruction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 37
3.6.2 Reconstructionofneutralparticles . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 39
3.7 Particleidentification. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 41
3.7.1 Kaonidentification . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 41
3.7.2 Electronidentification . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 42
i
“thesis” — 2006/12/8 — 11:48 — page ii — #8
Contents
3.7.3 Muonidentification . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 43
4 Analysis technique 45
4.1 SelectionandreconstructionofB mesons . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 45
4.1.1 Discriminatingobservables . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 45
4.1.2 B→D(∗)∓h± Selection . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 48
4.1.3 Signalandbackgroundm description . . . . . . . . . . . . . . . . . . 51
ES
4.1.4 Peakingbackgroundcomposition . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 53
4.2 Theb-flavortaggingprocedure . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 55
4.2.1 Tagsignatures . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 56
4.2.2 Taggingcategories . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 58
4.3 Timedifferencemeasurement . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 59
4.3.1 ∆z reconstruction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 59
4.3.2 ∆tmeasurement . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 60
4.3.3 Detector∆tresolutionfunction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 61
4.3.4 Correlationsbetweenmistagfractionw andσ . . . . . . . . . . . . . 63
∆t
4.4 Datasamplesummary . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 64
5 Tag-side interference 69
5.1 Introduction. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 69
5.2 Generalcoherentformalism . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 70
5.3 Characterizationoftaggingamplitude . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 71
5.4 Time-dependentasymmetrycoefficients . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 72
5.5 Completelyinclusivetaggingcategories . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 72
5.6 Estimatedsizeofdoubly-CKMsuppressedamplitude . . . . . . . . . . . . . . . 74
5.7 Mistagcalibrationwithflavoroscillationamplitude . . . . . . . . . . . . . . . . 75
5.8 Impactonmeasurementofγ withB→D(∗)∓h± decays. . . . . . . . . . . . . . 76
5.9 Conclusions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 80
6 Ingredients of ∆t likelihood fit 81
6.1 Likelihoodfunction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 81
6.2 Signal∆tdescription . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 82
6.2.1 Thea,b,cparametrization. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 82
6.2.2 Mistagprobability . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 83
6.2.3 The∆tresolutionmodel. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 84
6.3 Background∆tdescription . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 85
6.3.1 Combinatorialbackground. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 85
6.3.2 Peakingbackground . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 87
6.4 Reconstructionandtaggingefficiencies . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 87
6.5 Summaryoffitparameters . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 88
7 Validation studies 89
7.1 ParameterizedMonteCarlostudies . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 89
7.2 Geant4MonteCarlostudies . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 91
7.3 FastMonteCarlostudiescontinued. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 95
7.4 ResolutionfunctionanddilutionsinGeant4MonteCarloevents . . . . . . . . 99
7.5 Expectedstatisticalerrors . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 105
7.6 χTest . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 105
ii
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Contents
7.7 Resultsofτ and∆m fromdata . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 107
B0 d
7.8 Fitbytaggingcategoryanddatatakingperiod . . . . . . . . . . . . . . . . . . 108
7.9 FittochargedB controlsample . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 112
7.10 Fittothem sidebandregion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 113
ES
8 Result of the fit to data 115
8.1 ∆tFitresults . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 115
8.2 PerformanceoftheB-flavortaggingalgorithm . . . . . . . . . . . . . . . . . . 116
9 Evaluation of systematic uncertainties 129
9.1 Signalparametrization . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 129
9.1.1 Common∆tresolutionfunction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 129
9.1.2 Fixed∆tsignalresolutionfunctionparameters . . . . . . . . . . . . . . 130
9.1.3 Signal∆tresolutionmodel . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 130
9.1.4 ∆tresolutionfunctionsforcorrectlyandincorrectlytaggedevents . . . 131
9.1.5 Commondilutionsanddilutiondifferences. . . . . . . . . . . . . . . . . 131
9.1.6 DifferentreconstructionandtaggingefficienciesforB0 andB0 decays . 132
9.2 Backgrounddescription . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 133
9.2.1 Signalprobability . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 133
9.2.2 BeamenergyE inm fits . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 133
beam ES
9.2.3 Background∆tresolutionmodel . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 134
9.2.4 Fractionandcompositionofpeakingbackground . . . . . . . . . . . . . 134
9.2.5 CP contentofcombinatorialbackground. . . . . . . . . . . . . . . . . . 134
9.2.6 CP contentofpeakingbackground . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 135
9.2.7 B→D∓ρ0± andnon-resonantB→D∓π±π0 background . . . . . . . . 135
9.3 Uncertaintiesindeterminationofthedecay-timedifference . . . . . . . . . . . 137
9.3.1 Qualitycutson∆tandσ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 137
∆t
9.3.2 Beamspotposition. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 138
9.3.3 SVTalignmentandboostuncertainty . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 138
9.3.4 Uncertaintyinthez-scale . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 139
9.4 Externalparameters . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 140
9.5 FitbiasesandMonteCarlouncertainty . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 140
9.6 Summaryofsystematicuncertainties . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 141
10 Determination of amplitude ratios 145
10.1 Introduction. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 145
10.2 Predictionsfromfactorization . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 147
10.2.1 Branchingfractions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 149
10.3 Finalstaterescattering. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 154
10.3.1 Quasi-elasticrescattering . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 155
10.3.2 RescatteringinD(∗)P→D(∗)P andDV→DV . . . . . . . . . . . . . . 156
10.3.3 RescatteringafterB0→D(∗)+π− andB0→D+ ρ− . . . . . . . . . . . . 161
(s) (s)
10.4 Amplituderatios . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 164
10.5 Non-factorizablecorrectionsinB0→π−D∗+ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 165
s
10.6 TheW-exchangeamplitude . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 166
10.6.1 B0→D(∗)−K+ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 166
s
10.6.2 Otherexperimentalmodes. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 167
iii
“thesis” — 2006/12/8 — 11:48 — page iv — #10
Contents
10.6.3 Factorizationprediction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 168
10.7 SU(3)breakingfromnon-factorizablecontributions . . . . . . . . . . . . . . . . 169
10.8 Discussionandsummary . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 172
11 Extraction of γ 175
11.1 FrequentistversusBayesianinference . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 175
11.2 Constructionofχ2 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 176
11.3 Coverageof∆χ2 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 178
11.4 Rankingapproach . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 181
11.5 High-statisticsvalidation. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 183
11.6 Choiceofgeneratedphasesδj . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 185
11.7 Uncertaintiesonamplituderatiosrj . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 186
12 Conclusions 191
12.1 Summaryofresults . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 191
12.2 Significanceoftheresult . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 192
12.3 Retrospectiveandprospectsforγ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 195
References 197
Summary 205
Populaire samenvatting 207
Acknowledgements 215
iv