[論文レビュー] A Search for Leptoquark Bosons and Lepton Flavor Violation in Positron-Proton Collisions at HERA

C. Adloff|arXiv (Cornell University)|Jul 2, 1999

Particle physics theoretical and experimental studies被引用数 27

ひとこと要約

本論文は、1994年から1997年までのデータから得た37 pb⁻¹のデータを用いて、HERAにおける陽電子-陽子衝突において、初代レプトクォーク（LQ）およびレプトンフラバー違反（LFV）を探索した。LQのヤウカフカップリングに対して新たな制約を設定し、λ = 0.3のとき、スカラーLQは275 GeVまで排除された。また、e⁺uへの10%の分岐比を持つLQについても、λ = 0.3のとき260 GeVまで排除された。μ⁺X や τ⁺X の最終状態ではLFVの証拠は得られなかった。

ABSTRACT

A search for new bosons possessing couplings to lepton-quark pairs is performed in the H1 experiment at HERA using 1994 to 1997 data corresponding to an integrated luminosity of 37pb^-1. First generation leptoquarks (LQs) are searched in very high Q^2 neutral (NC) and charged (CC) current data samples. The measurements are compared to Standard Model (SM) expectations from deep-inelastic scattering (DIS). A deviation in the Q^2 spectrum previously observed in the 1994 to 1996 dataset at Q^2 \gsim 15000GeV^2 remains, though with less significance. This deviation corresponded to a clustering in the invariant mass spectrum at M \simeq 200 GeV which is not observed with the 1997 dataset alone. The NC DIS data is used to constrain the Yukawa couplings lambda of first generation scalar and vector LQs in the Buchmueller-Rueckl-Wyler effective model. Scalar LQs are excluded for masses up to 275GeV for a coupling of electromagnetic strength, lambda=0.3. A sensitivity to coupling values \lsim 1 is established for masses up to 400GeV for any LQ type. The NC and CC DIS data are combined to constrain lambda for arbitrary branching ratios of the LQ into eq in a generic model. For a decay branching ratio into e^+ u pairs as small as 10%, LQ masses up to 260 GeV are ruled out for lambda=0.3. LQs possessing couplings to mixed fermion generations, which could lead to signals of lepton flavor violation (LFV), are searched in events with a high transverse momentum mu or tau. No mu+X or tau+X event candidate is found that is compatible with LQ kinematics. Constraints are set on the Yukawa coupling involving the mu and tau lepton in a yet unexplored mass range.

研究の動機と目的

• 1994年から1997年までのデータを用いて、HERAにおける高Q²の深く非弾性散乱（DIS）イベントにおいて、初代レプトクォーク（LQ）の探索を行う。
• 以前のHERAデータで観測されたQ²スペクトルのずれ、特にQ² ≳ 15,000 GeV²の領域におけるずれが、1994–1997年の全データセットでも継続するかを検証する。
• 中性および電荷付き現在のDISデータを用いて、ブーツミュラー＝ルーツィュク＝ヴァイラー有効模型におけるスカラーおよびベクトルLQのヤウカフカップリング（λ）を制約する。
• LQがミューオンまたはタウの最終状態に崩壊する際のレプトンフラバー違反（LFV）をプローブし、以前に未探索であった質量領域を調査する。
• NCおよびCC DISデータを組み合わせることで、e⁺uペアへの任意の分岐比に対するLQカップリングの制限を設定する。

提案手法

• HERAのH1実験から得た37 pb⁻¹の積分光度を分析し、高Q²のNCおよびCC DISイベントに注目した。
• レプトクォーク生成を示唆する共鳴構造を特定するため、インヴァリアント質量スペクトルおよびQ²分布を用いた。
• スカラーおよびベクトルLQがクォーク-レプトン対にカップルする様子を記述するため、ブーツミュラー＝ルーツィュク＝ヴァイラー有効場理論モデルを適用した。
• NCおよびCC DISデータを組み合わせることで、さまざまな分岐比におけるLQカップリングに対する感度を向上させた。
• LQのe⁺u、μ⁺X、またはτ⁺X最終状態への崩壊の署名を特定するため、運動量再構築およびイベント選別を実施した。
• 信号および標準模型の背景予測を考慮した統計的仮説検定を用いて、ヤウカフカップリングλの上限を設定した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 Q² ≳ 15,000 GeV²の領域で以前に観測されたQ²スペクトルのずれは、1994–1997年の全データセットでも依然として有意であるか？
• RQ2 ブーツミュラー＝ルーツィュク＝ヴァイラー模型における初代スカラーおよびベクトルレプトクォークのヤウカフカップリング（λ）に対する制約は何か？
• RQ3 クォーク-レプトン対にカップルする混合世代のレプトクォークは、μ⁺X や τ⁺X 最終状態におけるレプトンフラバー違反を通じて検出可能か？
• RQ4 e⁺uペアへの分岐比が10%に達する場合、LQカップリングに対する感度はどの程度か？
• RQ5 特にLFVの文脈において、Yukawaカップリング値λ ≤ 1のレプトクォークの質量範囲は、どの程度まで除外されるか？

主な発見

• 1994–1996年のデータで観測されたM ≈ 200 GeV付近にクラスタリングを示したQ² ≳ 15,000 GeV²のQ²スペクトルのずれは、1997年のデータのみではもはや有意ではなくなった。
• ブーツミュラー＝ルーツィュク＝ヴァイラー模型において、Yukawaカップリングλ = 0.3のスカラーLQは275 GeVまで排除された。
• LQの種類に関係なく、レプトクォーク質量が400 GeVまで、Yukawaカップリングλ ≤ 1の感度が確立された。
• e⁺uペアへの分岐比が10%に達する場合、λ = 0.3のレプトクォークは260 GeVまで排除された。
• μ⁺X や τ⁺X 最終状態へのレプトクォーク崩壊に一致するイベントは観測されず、ミューオンおよびタウを含むヤウカフカップリングに関する新たな制約が得られた。
• 以前に未探索であった質量領域において、レプトクォークカップリングのレプトンフラバー違反に関する制限が設定された。