[論文レビュー] $ au^- o\pi^-\gamma u_ au$ as a source of background on the Lepton Flavour Violating decay $ au^- o\mu^-\gamma$

Zhi-Hui Guo, Pablo Roig|arXiv (Cornell University)|Oct 14, 2010

Particle physics theoretical and experimental studies参考文献 37被引用数 1

ひとこと要約

この論文は、QCD制約を組み込んだレゾナントチラル理論（RχT）を用いて、放射性崩壊 τ⁻ → π⁻γντ を計算し、自由パラメータのない形でフォーム因子を予測する。高エネルギー領域における構造依存（SD）項の寄与が支配的であることが判明した。これは、電子・ミューオンフラバー不変性を破る崩壊 τ⁻ → μ⁻γ と類似した領域であり、PHOTOSによるバックグラウンドの低減が約5倍に及ぶことが示され、現在の分岐比制限に影響を及ぼす可能性がある。

ABSTRACT

We calculate the decay of $ au^- o\pi^-\gamma u_ au$ in the framework of Resonance Chiral Theory ($R\chi T$). By demanding the high energy constraints from QCD on the related form factors, we could predict the various physical observables of $ au^- o\pi^-\gamma u_ au$ without any free parameter. Our results show that for a realistic cut on the photon energy (around $100$ MeV) this mode gives a branching ratio of roughly $0.1%$ that should have already been detected at the heavy-flavour factories. Another interesting subject we have studied based on our calculation of the decay $ au^- o\pi^-\gamma u_ au$ is the experimental background estimation of the lepton flavour violation process $ au^- o \mu^- \gamma$. We point out that although the description of radiation that PHOTOS provides -which has been used by BaBar and Belle collaborations to estimate this source of background- is in excellent agreement with the theoretical expectations in the low energy region in $ au^- o\pi^-\gamma u_ au$ decay, this is not the case in the high energy region, precisely where it is easier that this decay mimics the process $ au^- o\mu^-\gamma$.

研究の動機と目的

• QCD制約を組み込んだレゾナントチラル理論（RχT）を用いて、τ⁻ → π⁻γντ の崩壊振幅を計算すること。
• 構造依存（SD）フォーム因子がフォトンエネルギー分布に与える影響を評価すること。
• レプトンフラバー不変性を破る τ⁻ → μ⁻γ 探索における、PHOTOSによる τ⁻ → π⁻γντ バックグラウンド推定の信頼性を評価すること。
• 高エネルギー領域におけるPHOTOSシミュレーションと理論的予測との乖離を定量化すること。

提案手法

• 強い相互作用の効果をモデル化するため、レゾナントチラル理論（RχT）を用い、フォーム因子にQCD制約を組み込む。
• ベクトル（V）および軸性ベクトル（A）フォーム因子を介して、内部ブレムストラーリング（IB）および構造依存（SD）寄与の行列要素を導出する。
• x = 2pτ·k/Mτ² に従う微分崩壊断面積 dΓ/dx を計算し、x ≈ 1 は高エネルギーフォトンに対応する。
• 理論的予測とPHOTOSおよびMC-TESTERのシミュレーションを比較し、高エネルギー端点領域に注目する。
• πおよびγの運動量がτの質量に9 MeV以内に再構成できるイベントを分離するために、欠損質量再構成解析を実施する。
• フォトンスペクトルの最後の6つのビンにおいて、PHOTOS（IBのみ）と完全な理論的予測（IB + SD）を比較することで、バックグラウンドの低減度を推定する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 構造依存（SD）寄与は、端点付近の τ⁻ → π⁻γντ のフォトンエネルギースペクトルにどのように影響を与えるか？
• RQ2 PHOTOSは、τ⁻ → μ⁻γ 探索における τ⁻ → π⁻γντ バックグラウンドをどの程度低く見積もっているか？
• RQ3 τ → μ⁻γ に関連する高エネルギー領域における、PHOTOSと理論的予測との定量的乖離は何か？
• RQ4 SDフォーム因子を含めることで、現実的な実験的カット下での τ⁻ → π⁻γντ の分岐比推定値はどのように変化するか？
• RQ5 τ⁻ → π⁻γντ 崩壊は、将来のレプトンフラバー不変性を破る探索における信頼できるバックグラウンド推定ツールとして利用可能か？

主な発見

• 100 MeV以上のフォトンエネルギーを持つ τ⁻ → π⁻γντ の分岐比は約0.1%と予測され、Bファクトリーで検出可能であったはずである。
• 高エネルギー領域（x ≈ 1）では構造依存（SD）寄与が支配的であるが、これは低エネルギー領域における内部ブレムストラーリング（IB）の支配とは対照的である。
• PHOTOSは、τ⁻ → μ⁻γ に類似した高エネルギー領域で、τ⁻ → π⁻γντ のバックグラウンドを約5倍低く見積もっている。
• 全崩壊幅はSD寄与によってわずかに影響を受ける（Γ_all / Γ_IB ≈ 1.1）が、端点領域のスペクトル形状は顕著に変化する。
• 乖離の原因は、PHOTOSがQEDに基づくIB寄与のみをモデル化しており、端点近くで極めて重要なSD効果を無視していることに起因する。
• 著者らは、PHOTOSおよびTAUOLAを、新しいRχTに基づくハドロン的カレントに更新することで、バックグラウンド推定の正確性を向上させることを提言している。