Study of the B D* ℓ ν with the Partial Reconstruction Technique

Study of the B

0

_→

 _D*

_­ 

_ℓ

₊

_ν

with the 

Partial Reconstruction Technique

University of Ferrara / INFN Ferrara  

Dottorato di Ricerca in Fisica Ciclo XVII       

Mirco Andreotti

4 March 2005

Partially reconstructed B

→

 D*

ℓν

✗

Measurement of 

B

(B

_→

 _D*

_ℓ

_ν

₎ 

_from 

_B

_A

_B

_AR data

✗

B

_(B

_→

 _D*

_ℓ

_ν

₎ 

_{as first step for the evaluation of} 

|

_V

|

Outline

✔

  _The 

_B

_A

_B

_A

_R 

_Experiment

✔

|

V

| 

CKM matrix element and its extraction

✔

_{Existing measurements of}

_B

_(B

_→

 _D*

_ℓ

_ν

₎

✔

Extraction of 

B

(B

_→

 _D*

_ℓ

_ν

₎

✔

_{Semileptonic selection}

✔

_{Partial reconstruction of} 

_B

_→

 _D*

_ℓ

_ν

✔

Results for

B

(B

_→

 _D*

_ℓ

_ν

₎

Partially reconstructed B

→

 D*

ℓν

The 

B

A

B

A

R 

Experiment ­ PEP II

✔

 _9 GeV 

_e

 head­on 3.1 GeV 

e

)

E

 = 10.58 GeV = Y(4

S

) mass        

­ Y(4S) 

→



BB   ¼  of all Y(4S) decays

        ­ 

e

e

_→

_

_{qq  ¾  continuum background}

✔

_βγ

_=0.56 

_{allows to measure B decay time}

Partially reconstructed B

→

 D*

ℓν

The 

B

A

B

A

R 

Detector

➢

_{Tracking system:}

➔

_SVT

_: ­ 

measurement of B decay 

      vertices

       ­ p

< 120 MeV (charged)

➔

 DCH

: 

­ measurement of p

 from 

       curvature of charged particle 

       in 1.5 T magnetic field for

       p

> 120 MeV

       ­ PID for low p by 

dE/dx

➢

_DIRC

_: 

_π

_{/K discrimination}

➢

 _EMC

_: ­ 

detection of 

γ

 and 

e

 with 20 MeV < E < 4 GeV

       ­  electron/hadron separation

➢

 _Magnet

_: 

superconducting solenoid provides an 

      axial magnetic field of 1.5 T

➢

 IFR

: 

­ muon and neutral hadron ID (K

)

      ­ instrumented iron yoke for the magnetic flux

      return

Partially reconstructed B

→

 D*

ℓν

The 

B

A

B

A

R 

Detector – Upgrade of muon detector

➢

_{Initial design: IFR was instrumented with RPC}

➢

 _{Decreasing of efficiency:}

➢

_{Upgrade of muon detector:}

✗

_{Forward endcap: replacements with new RPCs in 2002}

✗

 _{Barrel: replacement of RPCs with LSTs} 

       (two sextants in 2004, the other 

       4 sextants in 2006)  

➔

_{Muon ID is fundamental for this analysis,} 

     then data with new muon detector will be 

Partially reconstructed B

→

 D*

ℓν

|

V

| 

CKM matrix element

b

,

c u

,

V V

W

ℓ

-

ν

➢

V

 and V

 are fundamental in order to confirm the unitary relation: 

1

α

β

γ

ρ

η

V V

V V

V V

V V

➢

 _{The unitary relation can be expressed in complex plane by the known triangle:} 

arg

arg

arg

V V

V V

V V

V V

V V

V V

α

β

γ





=

_

−

_









=

_

−

_









=

_

−

_





0

V V

+

V V

+

V V

=

1

V

V

=

Partially reconstructed B

→

 D*

ℓν

|

V

| 

CKM matrix element

✗

  _{If the Standard Model is true the triangle has to be} 

    closed.

✗

  More precise measurements of V

 and V

 are 

    needed for the evaluation of their ratio in order 

    to reduce the current uncertainties

✗

 V

 can be evaluated from semileptonic B decays 

decoupling strong and weak interaction 

B

X

ℓ

-ν

Hadronic current is parametrized in terms 

of form factors

Partially reconstructed B

→

 D*

ℓν

|

V

| 

extraction from differential BR

✗

  _{Heavy Quark Effective Theory (HQET) gives a “simple” relation for differential branching ratio}

    of 

B

_→

 _D*

_ℓν

 Phase space factor

 Form factor

w

=

γ

 in B

 rest frame 

✗

 The form factor can be evaluated at 

w=1

, and in the limit

m

,m

→ ∞

✗

|V

| can be evaluated extrapolating the product      as a function of 

w

➢

_{A first step in order to measure|V}

_{| is the measurements of}

B

(B

→

 D*

ℓ

ν

)

Partially reconstructed B

→

 D*

ℓν

Existing measurements of 

B

(B

_→

 _D*

_ℓ

_ν

₎

➢

_χ

_{/dof (~2) of the 8 existing} 

     measurements of  

B

(B

_→

 _D*

_ℓ

_ν

₎ 

_is   

     marginal.

➢

_{A new measurement of the branching} 

    ratio by using a different approach is an 

    important cross­check of the existing 

    measurements.

➢

BaBar measured 

B

(B

_→

 _D*

_ℓ

_ν

₎ 

_from an 

    exclusive selection. 

➢

_{The uncertainty on BaBar measurement} 

     is dominated by systematic effects, 

     mainly due to the  exclusive 

     reconstruction of the final state.  

The partial reco of D*

on the recoil of fully 

⇒

Partially reconstructed B

→

 D*

ℓν

Analysis on the recoil of fully reconstructed B 

e

e

-D

D

π

π

e

e

B

B

B

B

X

X

ℓ

ℓ

ν

ν

✗

 _{Full reconstuction of one B:}

✔

_{Low efficiency} 

_⇒

 _{low available statistics} 

_⇒

_{available data increase}

✔

 _{Clean samples with one B}

✔

 _{Clean separation between decay products of the two B mesons} 

✔

 _{Low background contamination on the recoil}

✗

 _{Partial reconstruction on the recoil of the fully reconstructed B:}

✔

_{Less systematic effects}

✔

 _{More efficient than full D}

 reconstruction

Partially reconstructed B

→

 D*

ℓν

One fully reconstructed B 

e

e

-D

D

π

π

e

e

B

B

B

B

X

X

ℓ

ℓ

ν

ν

✗

 _One 

_B

 _{is reconstructed by looking at its hadronic decays}

   (about 1000 decay modes) and its flavor is determined.

✗

 _{The kinematic consistency checked with two variables:}

= m

= 0

✗

 _{Efficiency for B}

 is 0.3%

✗

 _{Efficiency for B}

 is 0.5%

✗

 _{Crystal­Ball function for signal events}

✗

 _{Argus function for background events}

✗

Fit on m

 variables is used for subtraction of background:

✔

Continuum background (



cc

 and 

uds

)

Partially reconstructed B

→

 D*

ℓν

Measurement of 

B

(B

_→

 _D*

_ℓ

_ν

₎

 _with the 

partially reconstructed 

D*

➢

 _{Partial reconstruction technique is useful to reconstruct}  

_B

_→

 _D*

_ℓν

_with 

_D*

_→

 _D

_π

Efficencies of selections 

From PDG

✗

 _{Number of signal events :}

✗

 _{Number of semileptonic events :} 

B

0

→

D

*+

ℓ

-

ν

↳

D

0

π

+

B

0

→

X

ℓ

ν

✗

_Partial 

   reconstruction 

   of 

D*

✗

_Semileptonic

   selection 

Partially reconstructed B

→

 D*

ℓν

Semileptonic selection ­ Lepton reconstruction

✗

 The lepton from a semileptonic 

B

 decay has to be discriminated from other leptons:

➔

p

> 1 GeV

✗

 _{The lepton identification use information from all detectors:}

✔

 _{Efficiency electrons ID} 

_≈

 _95%

✔

 _{Efficiency muons ID} 

_≈

 _60­70%

Partially reconstructed B

→

 D*

ℓν

Semileptonic selection

✗

 _Semileptonic 

_B

 decays are

   selected with these cuts:

✗

 subtracted perfoming 

m

 fit.

✗

 _{Selected SL sample compositions:}

✔

_B

semileptonic decays

✔

 Continuum background (



cc

 and 

uds

)

✔

 _{Combinatorial background in} 

_B

 _decays

✔

 _B

 reconstructed as 

B

✔

_{Wrong lepton} 

✔

 _Fake lepton

}

}

✗

B

 semileptonic events

✗

 _{Taken into account in a Monte Carlo factor:}

⇒

}

Partially reconstructed B

→

 D*

ℓν

Semileptonic selection

✔

_{Semileptonic selection eff on signal events calculated from Monte Carlo :}

✔

_{Semileptonic selection eff on SL events calculated from Monte Carlo :}

 = 1.08

±

0.001(

stat

)  near 1 as expected.

✔

_O

_n 210.5 fb

 _{of  real data:}

Partially reconstructed B

→

 D*

ℓν

Partial reconstruction of the 

B

_→

 _D*

_ℓ

_ν

 decay

B

0

→

D

*+

ℓ

-

ν

↳

D

0

π

+

➔

B

→

 D*

ℓ

ν

 decay is reconstructed using only the 

lepton

 and the 

soft pion

 from 

D*

✔

 _{The special kinematics of the decay} 

_D*

_→

 _D

_π

allows to reconstruct 

D*

    using only 

π

 information.  

p

π

⇒

 p

D*

M

 = M

 + M

 + 5 MeV

D

π

⇒

β

_π

≈

β

_D*

Partially reconstructed B

→

 D*

ℓν

Discriminating variables for 

B

_→

 _D*

_ℓ

_ν

 selection

✗

Soft pion 

p

_✗

_{Squared mass of neutrino:} 

_M

➢

_{Best cuts are those values corresponding} 

     to the max of the ratio:

_⇒

Partially reconstructed B

→

 D*

ℓν

Selection of       events 

✗

Requests 4 and 7 are also used “reversed” for background estimation:

B

0

→

D

*+

ℓ

-

ν

↳

D

0

π

+

➔

N

where 

α

=

β

=

RS  (right sign correlation)

WS (wrong sign correlation) 

2  

for

 M

_≥­2

5  

for

 M

_≤­5

Partially reconstructed B

→

 D*

ℓν

Selection of       events 

B

0

→

D

*+

ℓ

-

ν

↳

D

0

π

+

Signal  

➔

 _~48%  

➔

 _~4%  

➔

 _~20%  

➔

 _~28%  

(~87% ) 

(~13% ) 

}

}

✗

 _{Composition of the selected sample       :} 

⇒

 Background subtraction has to be performed

Partially reconstructed B

→

 D*

ℓν

Background subtraction

✗

_{(5,6)  continuum and combinatorial backgrounds are subtracted performing} 

    an m

 fit as done for the semileptonic selection.  

✗

_{(4)  Physical backgrounds are} 

      evaluated assuming:

➔

 T

he number of physical background 

        events 

RS events at 

M

_>­2

        are extrapolated from the 

        events 

WS at 

M

_>­2

 _{normalized to} 

       the ratio

RS/WS

at 

M

_<­5

:

✔

 _{Monte Carlo corrections take into account deviations from the extrapolation.} 

Normalization

region 

Selection

region 

Partially reconstructed B

→

 D*

ℓν

Background subtraction ­ 

MC

✗

MC

are studied in Monte Carlo looking at 14 background samples:

   ­ 7 backgrounds from 

B

Partially reconstructed B

→

 D*

ℓν

Background subtraction – 

MC

 on Monte Carlo

➢

MC

 relative contribution at

MC

Data

➢

 _{Tot on MC 16%}

Partially reconstructed B

→

 D*

ℓν

Signal selection ­ Background subtraction corrections 

✗

_{The background subtraction cuts also a few on signal events}

⇒

 a Monte Carlo correction factor is applied on final calculation:

Signal calculation

✗

_{In summary the number of signal events is calculated with:}

✗

_{Selection efficiency from Monte Carlo :}

Partially reconstructed B

→

 D*

ℓν

Systematic uncertainties

1. Uncertainties on used branching ratio (from PDG2004):   

_B

(B

_→

 _X

_ℓ

_ν

_) = (10.5

_±

_0.8)%

B

(D* 

_→

 _D

_π

) = (67.7

±

0.5)%

2. Limited Monte Carlo statistics  

⇒

statistical errors from MC

3.  Uncertainties from MC

:  Monte Carlo does not reproduce exactly the real data

3a. Limited knowledge of semileptonic B decays in D** states:

_B

(B

→

 D

* 

ℓ

ν

)

B

(B

→

 D

ℓ

ν

)

B

(other B

→

 D** 

ℓ

ν

)

      singles BR is not known, only their sum is known 

_B

=0.027

, then systematic 

      is obtained with a random variation of each single BR between 0 and the total

      mantaining constants the sum.

3b. Limited knowledge of other B decays: 

_B

(B

→

 other)

Partially reconstructed B

→

 D*

ℓν

Systematic uncertainties

4. 

systematic effects on ratio between efficiencies of the full reconstruction of one B

⇒

taken from V

 analysis

5.  lepton tracking 

⇒

wrong reconstruction probability of 1.3%

6.  lepton identification 

⇒

 wrong identification probability of 3%

7.  lepton misidentification 

⇒

 wrong misidentification probability of 15%

8.  soft pion detection 

⇒

 wrong soft pion reconstruction probability of 2.6%

9.  systematic effects from m

 fit 

⇒

 fit with Gaussian instead of a Crystal­Ball function 

Partially reconstructed B

→

 D*

ℓν

Partially reconstructed B

→

 D*

ℓν

Partially reconstructed B

→

 D*

ℓν

Conclusions

✗

_{The measured value of the branching ratio results to be comparable with the} 

   world average.

✗

 _{As preliminary measurement the signal events have been extracted from} 

   semileptonic 

B

 _{decays, then the branching ratio is calculated normalizing} 

   with 

B

(B

→ Xℓ

ν

)

.

✗

 _{The systematic uncertainties have been evaluated in a simple and conservative way.}

Outlook

✔

_{Extract signal events from all semileptonic decays} 

_B→ Xℓ

_ν

_{and not only from}

 _B

 _:

    the branching ratio will be calculated normalizing with 

B

(B→ Xℓ

ν

)

, 

    which is known better than 

B

(B

→ Xℓ

ν

)

 , this change will reduce the associated 

    systematic from 7.7% to 3%.  

✔

 _{More Monte Carlo events are now available, allowing a reduction of the statistical} 

    errors from the simulation.

✔

 _{The others systematic uncertainties have to be evaluated in more detail.}

Partially reconstructed B

→

 D*

ℓν

Backup slides

Partially reconstructed B

→

 D*

ℓν

✔

_{Partial reconstruction}

  _1­4

✔

_Ratio SB

 _5­6

✔

_{Comparison of ratio N/}

_ε

 _{between the two signal definitions}  

₇

✔

M

 distribution

of background samples  

8­9

✔

_{Background subtraction}

  _10­15

✔

_{Systematic on D**}

  ₁₆

✔

_{Semileptonic selection}

  ₁₇

✔

_{Crystal­Ball function}

  ₁₈

✔

_Argus

  ₁₉

✔

_{Statistical and total errors of the measured branching ratio}

  ₂₀

Partially reconstructed B

→

 D*

ℓν

Partial reconstruction of the 

B

_→

 _D*

_ℓ

_ν

 decay

✔

 _{Squared mass of the neutrino is one of the useful variables for signal reconstruction:}  

B

0

→

D

*+

ℓ

-

ν

↳

D

0

π

+

➔

B

_→

 _D*

_ℓν

_{decay is reconstructed using only the} 

lepton

 and the 

soft pion

 from 

D*

M

_= p

✔

 _where  

✔

_{is known from lepton reconstruction.}  

✔

 _{While the special kinematics of the decay} 

_D*

_→

 _D

_π

allows to reconstruct 

D*

    using only 

π

 informations.  

p

_π

⇒

 p

_D*

Backup slide 1

Partially reconstructed B

→

 D*

ℓν

Partial reconstruction of the 

B

_→

 _D*

_ℓ

_ν

 decay

B

0

→

D

*+

ℓ

-

ν

↳

D

0

π

+

✔

 M

 = 2010 MeV

✔

  M

 = 1865 MeV 

⇒

✔

 _From 

_D*

 _{rest frame to Lab frame:} 

✔

_D*

✔

π

detected 

≈

 known 

Boost of 

D*

 can be evaluated from soft pion 

≈

 known 

to be calculated 

Backup slide 2

Partially reconstructed B

→

 D*

ℓν

Partial reconstruction of the 

B

_→

 _D*

_ℓ

_ν

 decay

✔

Relative direction between 

π

 and 

D*

 is not known, but

✔

 _{in Lab (also CMS) frame the soft pion will be} 

    emitted in a restriced cone around 

D

direction 

D

π

✔

_Boost of 

_D*

 _{can be evaluated solving}

⇒

Two approximation can be used for boost calculation 

➢

First approx: 

D*

 // 

π

➢ 

Second

 approx: 

D*

 // 

π

  and p

=0

}

M

M

M

Backup slide 3

Partially reconstructed B

→

 D*

ℓν

Partial reconstruction of the 

B

_→

 _D*

_ℓ

_ν

 decay

⇒

The best solution is the 

 positive one: 

M

Partially reconstructed B

→

 D*

ℓν

➔

N

➔

N

➔

 _{2 definitions for the number of signal events:} 

A) 

N

 = N

B)

 N

 = N

 + N

A) 

The ratio SB has maximum value for 

p

=220 MeV

 and for 

M

_=­2.0

B) 

The ratio SB has maximum value for 

p

=220 MeV

, while for M

 _the 

     ratio is approximately 

constant from ­2.0 to ­5.0

. At low values of  M

     the background contamination becomes high, then the lower value ­2.0 

     is better concerning background contamination and it also corresponds 

Ratio SB for the two signal definitions.

 MAX 

 MAX 

 FLAT 

 A) 

 A) 

 B) 

 B) 

Partially reconstructed B

→

 D*

ℓν

Ratio SB for the two signal definitions.

Backup slide 6

Partially reconstructed B

→

 D*

ℓν

Comparison of ratio N/

ε

 between the two signal definitions.

N

⇒

N

⇒

N

⇒

N

⇒

= 1 

N

⇒

N

⇒

✗

 _Efficiencies

✗

_{Numbers of selected events}

✗

_{Ratio between numbers of events corrected by efficiencies}

Backup slide 7

Partially reconstructed B

→

 D*

ℓν

    M

 _distribution

_{of background samples}

Partially reconstructed B

→

 D*

ℓν

M

 _distribution

_{of background samples}

Partially reconstructed B

→

 D*

ℓν

Background subtraction

✗

_{(5,6)  continuum and combinatorial backgrounds are subtracted performing} 

    an m

 fit as done for the semileptonic selection.  

✗

_{(4)  Physical backgrounds are} 

      evaluated assuming:

➔

the number of background events are calculated normalizing the 

         selected 

WS events at 

M

_>­2

_{with the ratio between} 

         RS and WS at 

M

_<­5

 _{and appling some corrections:}

}

Monte Carlo corrections take into 

account deviation from initial 

RS/WS assumption. 

Partially reconstructed B

→

 D*

ℓν

Background subtraction ­ 

MC

✗

MC

are studied in Monte Carlo 

   looking at 14 background samples:

   ­ 7 backgrounds from 

B

­ 7 backgrounds from 

B

✗

On real data 

MC

 has to be rescaled 

    with luminosity as follow:

Partially reconstructed B

→

 D*

ℓν

Background subtraction – 

MC

 on Monte Carlo

➢

_NF

_{on Monte Carlo}

➢

MC

 on Monte Carlo

➢

MC

 relative 

     contribution at

Partially reconstructed B

→

 D*

ℓν

Background subtraction – 

MC

 on Data

➢

MC

 on Data

➢

MC

 relative 

     contribution at

Partially reconstructed B

→

 D*

ℓν

Signal selection ­ Background subtraction 

➢

_16%

➢

_14%

on

Partially reconstructed B

→

 D*

ℓν

Signal selection ­ Background subtraction corrections 

✗

_{The background subtraction also operates on signal events:}

➔

Signal events obtained by       

      has to be divided by a Monte Carlo correction factor:

1) 

Subtracts a fraction of signal events

2)

 Subtracts a fraction of signal events with

3)

 Does not subtract a fraction of signal events (RS,2)  with  

1)

2)

3)

Backup slide 15

Partially reconstructed B

→

 D*

ℓν

Gen value on MC

Variation for syst determination:

each branching ratio has been variated randomly

between 0 and the total

mantaining the sum equal the total. 

Systematic uncertainties

Backup slide 16

Partially reconstructed B

→

 D*

ℓν

Semileptonic selection

Backup slide 17

}

➢

_B

 _reco as B

➢

_Wrong lep 

➢

_Fake lep

✗

 _{Other backgrounds are taken into account} 

   with a Monte Carlo correction factor: 

Partially reconstructed B

→

 D*

ℓν

Crystal­Ball function

Backup slide 18

Partially reconstructed B

→

 D*

ℓν

Argus function

Partially reconstructed B

→

 D*

ℓν

Statistical and total 

errors of the measured 

branching ratio