[論文レビュー] Search for lepton flavor violating τ- decays into ℓ- η, ℓ- η′ and ℓ- π0

Y. Miyazaki, I. Adachi+130 more|arXiv (Cornell University)|May 17, 2007

Particle physics theoretical and experimental studies参考文献 33被引用数 38

ひとこと要約

本研究では、KEKBにおけるBelle実験から得た401 fb⁻¹のデータを用いて、レプトンフラバー非保存のτ⁻崩壊（電子またはミューオンとパラメータースカラー中間子（η, η′, π⁰）への崩壊）を探索した。信号は観測されず、90%信頼水準における branching fraction の新たな上限が設定され、以前の上限より2.3〜6.3倍の感度向上が達成された。

ABSTRACT

We have searched for lepton-flavor-violating τ decays with a pseudoscalar meson (η, η′ and π0) using a data sample of 401 fb-1 collected with the Belle detector at the KEKB asymmetric-energy e+ e- collider. No evidence for these decays is found and we set the following upper limits on the branching fractions: B (τ- → e- η) < 9.2 × 10-8, B (τ- → μ- η) < 6.5 × 10-8, B (τ- → e- η′) < 1.6 × 10-7, B (τ- → μ- η′) < 1.3 × 10-7, B (τ- → e- π0) < 8.0 × 10-8 and B (τ- → μ- π0) < 1.2 × 10-7 at the 90% confidence level. These results improve our previously published upper limits by factors from 2.3 to 6.3. © 2007 Elsevier B.V. All rights reserved.

研究の動機と目的

• τレプトンのレプトンフラバー非保存崩壊（電子またはミューオンとパラメータースカラー中間子（η, η′, π⁰）への崩壊）を探索すること。
• レプトンフラバー則の破れを示唆する希少τ崩壊の感度を向上させること。
• τ⁻ → ℓ⁻P 崩壊（P = η, η′, π⁰、ℓ = e, μ）の branching fraction に対するより厳密な上限を設定すること。
• フラバー変換を伴う中性荷電ウィルソン線形子や重いスティーリー中性レプトンを含む、標準模型の拡張理論が予測するこのような希少崩壊をテストすること。
• 精密な希少τ崩壊測定を通じて、標準模型を超える新しい物理の実験的制約を強化すること。

提案手法

• KEKB非対称エネルギーe⁺e⁻衝突装置で取得された401 fb⁻¹のデータサンプルを、Belle検出器を用いて分析した。
• 運動量再構成および粒子識別技術を用いて、モデルに依存しない形でτ⁻ → ℓ⁻P 崩壊（P = η, η′, π⁰）を探索した。
• 最終状態粒子のインバリアント質量再構成に基づく選別基準を適用し、信号に類似したイベントを抽出した。
• 組み合わせ的背景および連続的背景をモデル化するために、制御領域とモンテカルロシミュレーションに基づくバックグラウンド推定手法を用いた。
• シミュレートされたイベントを用いて信号およびバックグラウンド効率をキャリブレーションし、制御サンプルを用いて妥当性を検証した。
• 頻度主義的手法を用い、系統的不確実性を組み込んだ90%信頼水準における branching fraction の上限を計算した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 τ⁻ → e⁻η, τ⁻ → μ⁻η, τ⁻ → e⁻η′, τ⁻ → μ⁻η′, τ⁻ → e⁻π⁰, および τ⁻ → μ⁻π⁰ 崩壊の branching fraction に対する上限は何か？
• RQ2 これらの新しい上限は、以前の実験的結果と比較して、どの程度感度が向上しているか？
• RQ3 これらの結果が、標準模型を超えるレプトンフラバー非保存を予測するモデルに与える影響は何か？
• RQ4 これらの崩壊において信号が観測されなかったことは、特定の新しい物理のシナリオを制約するために利用できるか？
• RQ5 信号領域における観測データと期待されるバックグラウンドとの間に有意な差は認められるか？

主な発見

• パラメータースカラー中間子（η, η′, π⁰）への6つのレプトンフラバー非保存τ⁻崩壊モードのいずれに対しても、有意な信号は観測されなかった。
• 90%信頼水準におけるB(τ⁻ → e⁻η)の上限は9.2 × 10⁻⁸に設定された。
• 90%信頼水準におけるB(τ⁻ → μ⁻η)の上限は6.5 × 10⁻⁸に設定された。
• 90%信頼水準におけるB(τ⁻ → e⁻η′)の上限は1.6 × 10⁻⁷に設定された。
• 90%信頼水準におけるB(τ⁻ → μ⁻η′)の上限は1.3 × 10⁻⁷に設定された。
• これらの上限は、以前の結果より2.3〜6.3倍の感度向上を示しており、検出感度の向上が確認された。