[論文レビュー] Lepton Universality, |V_{us}| and search for second class current in tau decays

S. Banerjee|arXiv (Cornell University)|Nov 10, 2008

Particle physics theoretical and experimental studies参考文献 22被引用数 6

ひとこと要約

本論文は、BaBar実験から得られたタウレプトンの分岐比の高精度測定を提示し、軽レプトンのユニタリティを検証し、包含的および排他的崩壊を用いて |V_{us}| を決定する。τ→π⁻ων_τ 崩壊における第二級電磁モーメントの寄与に対する上限を1桁改善し、その寄与の証拠は得られず、標準模型の予測が高精度で確認された。

ABSTRACT

Several hundred million tau decays have been studied with the BaBar detector at the PEP-II e+e- collider at the SLAC National Accelerator Laboratory. Recent results on Charged Current Lepton Universality and two independent measurements of |V_{us}| using tau- -> e- nubar nu, mu- nubar nu, pi- nu, K- nu and KS0 pi- nu decays, and a search for Second Class Current in tau- -> pi- omega nu decays are presented, where the charge conjugate decay modes are also implied.

研究の動機と目的

• e⁻、μ⁻、π⁻、K⁻ の最終状態を含む分岐比比の測定を通じて、τ崩壊におけるチャージドカレントの軽レプトンユニタリティを高精度で検証すること。
• 包含的τ崩壊と演算子積展開（OPE）および有限エネルギー和則（FESR）を用いた方法、および排他的τ→K⁻ν_τ／τ→π⁻ν_τ分岐比比を用いた2通りの独立した手法により |V_{us}| を決定すること。
• τ→π⁻ων_τ 崩壊における第二級電磁モーメント寄与の探索を行い、それが標準模型を越える物理学の兆候である可能性を検証すること。
• CKM行列のユニタリティテストの文脈において、重要な分岐比の精度を向上させ、系統的不確かさを低減すること。
• 軽レプトンユニタリティの逸脱および第二級電磁モーメント寄与の限界を厳密に設定することで、新しい物理学のモデルを制約すること。

提案手法

• B-factoryのPEP-IIで得られた347 fb⁻¹のe⁺e⁻散乱データを用いて、τ⁻→e⁻ν̄_eν_τ、μ⁻ν̄_μν_τ、π⁻ν_τ、K⁻ν_τ、K⁰_Sπ⁻ν_τ、K⁻π⁰ν_τの分岐比を測定する。
• 分岐比比の比を用いて、|V_{us}|² ∝ B(τ→K⁻ν_τ)/B(τ→π⁻ν_τ) の関係から |V_{us}| を抽出し、相空間および長距離効果の補正を行う。
• 包含的ハドロン的τ崩壊から |V_{us}| を抽出するため、スペクトル密度関数と非スペクトル的重みを用いて収束性を向上させる有限エネルギー和則（FESR）および演算子積展開（OPE）を適用する。
• τ→π⁻ων_τ 崩壊におけるπ⁻のω静止系での角度分布 F(cosθ_πω) をモデル化し、第一級電磁モーメント（FCC）と第二級電磁モーメント（SCC）寄与を分離する。
• F(θ) = N[(1−ε)F_{LJ=11}^{FCC} + εF_{LJ=01}^{SCC}] の形でcosθ_πω分布に対するビン化フィットを実施し、εがSCC寄与の割合を表す。
• データのフィットとSCC寄与に対する保守的な関数形の導入により、Bayes的手法を用いてSCC寄与の90%信頼水準における上限を設定する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 μ⁻およびe⁻の最終状態において、τ崩壊における軽レプトンユニタリティが高精度で検証されるか？
• RQ2 排他的τ崩壊から得られる |V_{us}| の値は何か？ また、CKM行列のユニタリティ予測と比較するとどうなるか？
• RQ3 τ→π⁻ων_τ 崩壊において第二級電磁モーメント寄与が観測可能か？ その相対的割合に対する上限は何か？
• RQ4 τ→K⁻ν_τ および τ→π⁻ν_τ の測定された分岐比は、軽レプトンユニタリティの予測と一致するか？ これにより |V_{us}| にどのような示唆が得られるか？
• RQ5 長距離QCD効果およびスペクトル密度関数は、包含的τ崩壊から |V_{us}| を抽出する際にどの程度の影響を及ぼすか？

主な発見

• 分岐比比 B(τ⁻→μ⁻ν̄_μν_τ)/B(τ⁻→e⁻ν̄_eν_τ) = 0.9796 ± 0.0016（統計）± 0.0035（系統的）であり、0.36%の精度で軽レプトンユニタリティと整合する。
• 分岐比比 B(τ⁻→K⁻ν_τ)/B(τ⁻→π⁻ν_τ) = 0.06531 ± 0.00056（統計）± 0.00093（系統的）であり、|V_{us}| = 0.2254 ± 0.0023 が得られ、ユニタリティと整合する。
• τ→π⁻ων_τ 崩壊における第二級電磁モーメント寄与に対する上限は90%信頼水準で0.69%に設定され、前回の上限5.4%から1桁改善された。
• 測定された B(τ⁻→K⁻ν_τ) = 0.690 ± 0.010% は、μ-τユニタリティのもとでK_μ2崩壊から予測される値と整合し、標準模型を支持する。
• OPEおよびFESR手法による包含的 |V_{us}| は、ユニタリティ予測から約3σ低い値を示しており、今後の検討を要する可能性のある矛盾を示唆している。
• 世界平均の B(τ⁻→K⁻π⁰ν_τ) = 0.426 ± 0.016% および B(τ⁻→K̄⁰π⁻ν_τ) = 0.835 ± 0.022%（スケール係数S=1.4）であり、以前の測定に比べて精度が向上している。