[論文レビュー] Search for lepton flavor violating decays τ−→ ℓ−π0,ℓ−η,ℓ−η′

Y. Enari, N. Sato+152 more|arXiv (Cornell University)|Sep 1, 2005

Particle physics theoretical and experimental studies参考文献 32被引用数 19

ひとこと要約

本研究では、KEKBにおけるBelle実験の153.8 fb⁻¹のデータを用いて、タウレプトンの軽い電荷を帯びたレプトンおよび軽い偽スカラー中間子（π⁰、η、η′）へのレプトンフレーバー不変性の崩れを示す崩壊を探索した。解析により、90%信頼水準における新たな、より厳密な上限が設定され、過去の上限と比較して10倍から64倍の改善がなされ、特にB(τ⁻ → μ⁻η) < 1.5×10⁻⁷が最も厳しい制限となった。

ABSTRACT

We have searched for lepton flavor violating semileptonic τ- decays using a data sample of 153.8 fb-1 accumulated with the Belle detector at the KEKB e+e- collider. For the six decay modes studied, the observed yield is compatible with the estimated background and the following upper limits are set at the 90% confidence level: B(τ-→e-η)&lt;2.3×10-7, B(τ-→μ-η)&lt;1.5×10-7, B(τ-→e-π0)&lt;1.9×10-7, B(τ-→μ-π0)&lt;4.1×10-7, B(τ-→e-η′) &lt;10×10-7, and B(τ-→μ-η′)&lt;4.7×10-7. These results are 10 to 64 times more restrictive than previous limits. © 2005 Elsevier B.V. All rights reserved.

研究の動機と目的

• 標準模型では禁止されているが、一部の拡張理論で予測される、タウレプトンのレプトンフレーバー不変性を破る半レプトン的崩壊を探索すること。
• レプトンフレーバー対称性の破れを示す希少崩壊を通じて、標準模型の妥当性を検証し、それ以上の新物理を探る。
• 大規模で高精度なデータサンプルを用いて、既存の実験的上限の感度を向上させること。
• フラーバー変換を伴う中性荷電レンズや重いスティルレプトンを含む、このような希少崩壊を予測する標準模型を超えた理論モデルを制約すること。

提案手法

• KEKB非対称エネルギー衝突型加速器で収集されたBelle検出器によるe⁺e⁻衝突データ153.8 fb⁻¹を用いた。
• τ⁻ → ℓ⁻π⁰、ℓ⁻η、ℓ⁻η′（ℓ = e, μ）の6つの特定のLFV崩壊モードについて、モデルに依存しない探索を実施した。
• 運動量再構成および粒子識別技術を用いて、バックグラウンド事象から信号候補を分離した。
• 信号生成率を抽出し、90%信頼水準における分岐比の上限を設定するために、非バッチド最尤フィットを用いた。
• バックグラウンド推定を制御サンプルおよびモンテカルロシミュレーションを用いてキャリブレーションし、系統的不確実性をしっかり制御した。
• 主なバックグラウンド（τ⁻ → ℓ⁻νν̄およびτ⁻ → ℓ⁻νπ⁰）の寄与を最小限に抑えるように、信号感度に最適化された選別基準を適用した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 レプトンフレーバー不変性を破るτ⁻ → ℓ⁻π⁰、ℓ⁻η、およびℓ⁻η′崩壊の分岐比に対する上限は何か？
• RQ2 新しい実験的上限は、感度の向上という点で過去の測定と比較してどの程度改善されているか？
• RQ3 今回調査された6つのLFV崩壊モードのいずれかで、バックグラウンドを上回る有意な信号過剰は観測されたか？
• RQ4 結果は、LFV崩壊を予測する標準模型を超えた理論モデルをどの程度制約しているか？

主な発見

• 6つのレプトンフレーバー不変性を破る崩壊モードすべてで、有意な信号は観測されず、バックグラウンドのみの期待値と整合的であった。
• τ⁻ → e⁻ηの分岐比に対する上限は、90%信頼水準でB(τ⁻ → e⁻η) < 2.3×10⁻⁷である。
• 最も厳しい上限はτ⁻ → μ⁻ηに対して設定され、90%信頼水準でB(τ⁻ → μ⁻η) < 1.5×10⁻⁷である。
• τ⁻ → e⁻π⁰の上限はB(τ⁻ → e⁻π⁰) < 1.9×10⁻⁷（90%信頼水準）である。
• τ⁻ → μ⁻π⁰の上限はB(τ⁻ → μ⁻π⁰) < 4.1×10⁻⁷（90%信頼水準）である。
• τ⁻ → e⁻η′の上限はB(τ⁻ → e⁻η′) < 10×10⁻⁷（90%信頼水準）、τ⁻ → μ⁻η′の上限はB(τ⁻ → μ⁻η′) < 4.7×10⁻⁷（90%信頼水準）である。