First evidence for $\cos 2\beta>0$ and resolution of the CKM Unitarity Triangle ambiguity by a time-dependent Dalitz plot analysis of $B^{0} \to D^{(*)} h^{0}$ with $D \to K_{S}^{0} \pi^{+} \pi^{-}$ decays

We present first evidence that the cosine of the CP-violating weak phase $2\beta$ is positive, and hence exclude trigonometric multifold solutions of the CKM Unitarity Triangle using a time-dependent Dalitz plot analysis of $B^{0} \to D^{(*)} h^{0}$ with $D \to K_{S}^{0} \pi^{+} \pi^{-}$ decays, where $h^{0} \in \{\pi^{0}, \eta, \omega \}$ denotes a light unflavored and neutral hadron. The measurement is performed combining the final data sets of the BaBar and Belle experiments collected at the $\Upsilon(4S)$ resonance at the asymmetric-energy B factories PEP-II at SLAC and KEKB at KEK, respectively. The data samples contain $( 471 \pm 3 )\times 10^6\, B\bar{B}$ pairs recorded by the BaBar detector and $( 772 \pm 11 )\times 10^6\, B\bar{B}$ pairs recorded by the Belle detector. The results of the measurement are $\sin{2\beta} = 0.80 \pm 0.14 \,(\rm{stat.}) \pm 0.06 \,(\rm{syst.}) \pm 0.03 \,(\rm{model})$ and $\cos{2\beta} = 0.91 \pm 0.22 \,(\rm{stat.}) \pm 0.09 \,(\rm{syst.}) \pm 0.07 \,(\rm{model})$. The result for the direct measurement of the angle $\beta$ of the CKM Unitarity Triangle is $\beta = \left( 22.5 \pm 4.4 \,(\rm{stat.}) \pm 1.2 \,(\rm{syst.}) \pm 0.6 \,(\rm{model}) \right)^{\circ}$. The quoted model uncertainties are due to the composition of the $D^{0} \to K_{S}^{0} \pi^{+} \pi^{-}$ decay amplitude model, which is newly established by performing a Dalitz plot amplitude analysis using a high-statistics $e^{+}e^{-} \to c\bar{c}$ data sample. CP violation is observed in $B^{0} \to D^{(*)} h^{0}$ decays at the level of $5.1$ standard deviations. The significance for $\cos{2\beta}>0$ is $3.7$ standard deviations. The trigonometric multifold solution $\pi/2 - \beta = (68.1 \pm 0.7)^{\circ}$ is excluded at the level of $7.3$ standard deviations. The measurement resolves an ambiguity in the determination of the apex of the CKM Unitarity Triangle.

A. B. Kaliyar | M. Feindt | K. Cho | R. Field | M. Heck | S. Kim | T. Kuhr | T. Muller | K. Honscheid | R. Kass | M. Sevior | J. Lange | M. Sokoloff | H. Aihara | N. Arnaud | M. Davier | M. Sullivan | D. Cinabro | M. Carpinelli | T. Adye | M. Alam | J. Albert | F. Anulli | V. Bansal | F. Bernlochner | M. Bomben | G. Calderini | G. Eigen | J. Ernst | B. Fulsom | N. Guttman | R. Kowalewski | W. Lockman | U. Mallik | G. Marchiori | H. Neal | I. Nugent | J. Ocariz | S. Passaggio | M. Purohit | V. Savinov | R. Sobie | A. Soffer | Y. Unno | S. Vahsen | T. Schroeder | R. Kroeger | T. Aushev | Y. Iwasaki | A. Bakich | A. Bondar | A. Bozek | A. Chen | B. Cheon | Y. Choi | A. Garmash | T. Gershon | B. Golob | K. Hayasaka | W. Hou | K. Inami | A. Ishikawa | R. Itoh | M. Iwasaki | S. Korpar | P. Krokovny | A. Kuzmin | Y. Kwon | D. Liventsev | J. Macnaughton | K. Miyabayashi | H. Miyata | R. Mizuk | T. Mori | E. Nakano | S. Ogawa | P. Pakhlov | H. Park | L. Piilonen | Y. Sakai | O. Schneider | A. Schwartz | K. Senyo | K. Sumisawa | T. Sumiyoshi | T. Uglov | S. Uno | G. Varner | C. Wang | Z. Zhang | V. Zhilich | E. Solovieva | C. Chen | T. Browder | J. Haba | T. Hara | H. Hayashii | H. Kichimi | R. Kulasiri | S. Nishida | Y. Onuki | R. Pestotnik | C. Schwanda | M. Wang | S. Pardi | G. Russo | J. Chauveau | L. Lanceri | F. Simonetto | G. Wormser | J. Cochran | E. Guido | P. Harrison | G. Mohanty | M. Merola | M. Biasini | O. Long | A. Gaz | S. Wagner | A. Gritsan | V. Zhukova | D. Lange | L. Cremaldi | R. Godang | P. Goldenzweig | D. Asner | K. Joo | V. Popov | S. Wu | J. Smith | C. Jessop | S. Spanier | E. Won | S. Eidelman | Y. Watanabe | G. Finocchiaro | R. Cowan | C. Hearty | T. Sanuki | E. Grauges | R. Prepost | M. Piccolo | T. Matsuda | C. Yuan | H. Ono | J. Dorfan | A. Calcaterra | C. Hast | R. Barlow | C. Bozzi | A. Smith | P. Patteri | C. Davis | G. Bonneaud | M. Verderi | A. Lutz | G. Batignani | F. Forti | M. Giorgi | A. Lusiani | S. Emery | M. Różańska | Y. Yusa | C. Sciacca | M. Convery | E. Ben-Haim | O. Grunberg | C. Patrignani | F. Simon | M. Nakao | G. Pakhlova | A. Zupanc | W. Jacobs | M. Chrzaszcz | S. Hirose | N. Shimizu | H. Atmacan | R. Ayad | S. Bettarini | V. Bhardwaj | B. Bhuyan | G. Casarosa | R. Cheaib | K. Chilikin | S. Cunliffe | G. Nardo | S. Carlo | D. Epifanov | J. Fast | T. Ferber | R. Garg | V. Gaur | M. Gelb | W. Gradl | Y. Guan | C-L. Hsu | G. Inguglia | S. Jia | Y. Jin | K. Kang | J. Kim | K. Kim | D. Kim | K. Kinoshita | D. Kotchetkov | T. Kumita | S. Lee | L. Li | Y. Li | M. Lubej | T. Lueck | T. Luo | E. Manoni | D. Matvienko | H. Moon | R. Mussa | T. Nanut | K. Nath | M. Nayak | B. Pal | E. Paoloni | T. Pedlar | I. Peruzzi | P. Resmi | M. Ritter | G. Rizzo | J. Roney | M. Salehi | S. Sandilya | L. Šantelj | R. Seddon | Y. Seino | O. Seon | C. Shen | J. Shiu | R. Stroili | D. Summers | M. Takizawa | U. Tamponi | K. Tanida | P. Taras | F. Tenchini | M. Uchida | L. Vitale | E. Waheed | S. Zakharov | L. Zani | V. Zhulanov | D. Wright | A. Rossi | Y. Skovpen | G. Piredda | P. Kim | C. Voss | F. Ferroni | F. Porter | B. Ratcliff | S. Akar | R. Calabrese | R. Cenci | B. Dey | M. Heß | Z. Huard | T. Latham | E. Luppi | B. Meadows | H. Lacker | S. Choudhury | A. Buzykaev | J. Biswal | D. Muller | V. Blinov | B. Wang | J. Lees | A. Eisner | B. Echenard | E. Gabathuler | R. Schwitters | G. Raven | J. Libby | J. Losecco | M. Rama | N. Neri | M. Rotondo | G. Simi | V. Vorobyev | F. Wilson | G. Lafferty | L. Sun | R. Waldi | A. Oyanguren | L. Gioi | P. Wang | P. Behera | A. Pilloni | M. Ebert | K. Schubert | G. Cibinetto | A. Denig | F. Mori | E. Fioravanti | M. Fritsch | I. Garzia | X. Lou | J. Coleman | F. Lodovico | D. Payne | R. Sacco | C. Touramanis | G. Vasseur | J. Ahn | A. Giri | S. Martellotti | A. Filippi | V. Poireau | Y. Kolomensky | R. Y. So | V. Druzhinin | V. Golubev | E. Kravchenko | A. Onuchin | E. Solodov | D. Chao | K. Flood | D. Hitlin | T. Miyashita | P. Ongmongkolkul | B. Pushpawela | V. Santoro | A. Zallo | A. Bevan | K. Griessinger | A. Hafner | F. Palombo | M. Posocco | B. Oberhof | R. Faccini | F. Ferrarotto | S. Dittrich | T. Leddig | D. Aston | C. Cartaro | W. Dunwoodie | M. Graham | S. Luitz | J. Va'vra | S. Sekula | H. Ahmed | M. Bellis | P. Burchat | E. Puccio | R. Gorodeisky | D. Peimer | J. Ritchie | J. Izen | F. Martínez-Vidal | A. Beaulieu | G. King | N. Tasneem | D. Brown | H. Koch | S. Serednyakov | D. Macfarlane | C. Cheng | W. Vazquez | F. Diberder | V. Babu | N. Dash | M. Hedges | G. Karyan | M. Masuda | N. Nisar | G. Schnell | C. Hulse | Z. Dr'asal | T. Julius | M. Rohrken | V. Shebalin | T. Shibata | F. Bianchi | I. Badhrees | D. Bettoni | W. Innes | W. Wiśniewski | D. Leith | D. Gamba | J. Kim | I. Lee | S. Said | M. Bravcko | D. vCervenkov | Z. Dolevzal | P. Kodyvs | P. Krivzan | M. Starivc | I. Pavelkin | K. Y. Todyshevx | J. Mckenna | A. Jawahery | S. Robertson | J. Gary | S. Banerjee | A. Palano | A. Lankford | R. Sangro | D. Hutchcroft | V. Tisserand | G. Cowan | A. Roodman | J. Walsh | D. Roberts | A. Randle-conde | T. Mattison | D. Bernard | S. Prell | J. Wilson | M. Margoni | S. Paul | H. Ye | C. Bunger | The BaBar | Belle Collaborations I. Adachi