[論文レビュー] Charged-lepton-flavour violation at the LHC: a search for $Z o e au/\mu au$ decays with the ATLAS detector

G. Aad, Brad Abbott+2935 more|arXiv (Cornell University)|Jan 1, 2020

Particle physics theoretical and experimental studies参考文献 25被引用数 2

ひとこと要約

この論文は、LHCのATLAS検出器が収集した13 TeVの陽子–陽子衝突データ139 fb⁻¹を用いて、Zボソンのレプトンフレーバー違反崩壊、具体的にはタウレプトンとより軽い電荷を帯びたレプトン（e もしくは μ）への崩壊を探索する。新しいニューラルネットワーク分類器とビン化された最尤フィットを用いて、これまでで最も厳しい制限が得られ、95%信頼水準における分岐比の観測上限は、eτ チャネルで8.1 × 10⁻⁶、μτ チャネルで9.5 × 10⁻⁶に達し、LEP実験による以前の制限を上回っている。

ABSTRACT

In the Standard Model of particle physics, leptons are key building blocks of matter and come in three families (flavours). Leptons of different flavours have the same properties, except for their mass. In addition, the number of leptons in each family is conserved in interactions. Such conservation is known as lepton flavour conservation, and no fundamental principles impose it. Since the formulation of the Standard Model, the observation of flavour oscillations among neutrinos (the neutral leptons) has demonstrated that neutrinos have mass and in neutrino weak interactions the lepton flavour is not conserved. To date, there is no experimental evidence that lepton flavour violation occurs in interactions between charged leptons, and an observation of such a phenomenon would be an exciting sign of new particles or new type of interactions beyond the Standard Model. The ATLAS experiment at the Large Hadron Collider at CERN sets a new constraint on lepton-flavour-violating effects in weak interactions, searching for $Z$-boson decays into a $ au$-lepton and another lepton of different flavour ($e$ or $\mu$) with opposite electric charge. The branching fractions for these decays are now measured by the ATLAS experiment to be less than $8.1 imes10^{-6}$ ($e au$) and $9.5 imes10^{-6}$ ($\mu au$) at 95% confidence level, using 139 fb$^{-1}$ of proton-proton collision data at centre-of-mass energy $\sqrt{s}=13$ TeV and 20.3 fb$^{-1}$ at $\sqrt{s}=8$ TeV. These results supersede the best limits set by the LEP experiments more than two decades ago.

研究の動機と目的

• 標準模型を超える新しい物理を示唆する、Zボソンがタウレプトンとより軽い電荷レプトン（e もしくは μ）に崩壊する電荷レプトンフレーバー違反の崩壊を探索すること。
• バックグラウンド抑制のための高度な機械学習技術を用いることで、希少なZボソン崩壊の感度を向上させること。
• これまでで最も厳しい実験的制限を、Z → eτおよびZ → μτの分岐比に対して設定すること。これは、LEP実験による以前の制限を上回るものである。
• 重いニュートリノや他の新しい物理メカニズムによるレプトンフレーバー違反を予測する理論的モデルを検証すること。

提案手法

• LHCラン2期中にATLAS検出器が収集した139 fb⁻¹のpp衝突データ（√s = 13 TeV）を用いる。
• イベントは、カリメータとトラッキング情報を利用した再帰的ニューラルネットワークを用いて識別されたハドロン的崩壊のタウレプトン（τhad-vis）を含むものとして選別される。
• 電子およびミュオン候補は、中程度の識別基準と厳密な分離基準を用いて選別され、pT > 30 GeVおよび|η| < 2.5を満たす。
• 信号イベントと主要なバックグラウンド（Z → ℓℓおよびZ → ττ崩壊）を最適に区別できるように、ニューラルネットワーク分類器が訓練される。
• ビン化された最尤フィットを実行し、信号生成率を抽出するとともに、95%信頼水準における分岐比の上限を設定する。
• μτ チャネルの結果は、LHCラン1の分析（√s = 8 TeV、20.3 fb⁻¹）と組み合わせられ、感度の向上が図られる。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 Z → eτ 崩壊の分岐比の上限は何か？ また、これは以前の実験と比較してどうなるか？
• RQ2 Z → μτ 崩壊の分岐比の上限は何か？ そして、LEPによる以前の制限を上回っているか？
• RQ3 ニューラルネットワークベースの分類器は、従来の手法と比較して、希少なZボソン崩壊の感度を顕著に向上させることができるか？
• RQ4 ラン1とラン2のデータを組み合わせることで、レプトンフレーバー違反Z崩壊の感度はどの程度向上するか？

主な発見

• Z → eτ 崩壊の観測上限は、95%信頼水準で8.1 × 10⁻⁶である。
• Z → μτ 崩壊の観測上限は、95%信頼水準で9.5 × 10⁻⁶である。
• これらの制限は、これまでで最も厳しいものであり、LEP実験による以前の制限（eτで9.8 × 10⁻⁶、μτで1.2 × 10⁻⁵）を上回っている。
• τhad-visの識別に再帰的ニューラルネットワークを用いることで、信号とバックグラウンドの区別が分析において向上した。
• ラン1とラン2のデータを組み合わせることで感度が向上し、特にμτチャネルで顕著である。
• これらの結果は、重いニュートリノや他の新しい物理メカニズムによるレプトンフレーバー違反を予測するモデルに対して強く制限をかける。