[論文レビュー] Search for Lepton Flavor Violation in Upsilon Decays

CLEO Collaboration, W. A. Love|arXiv (Cornell University)|Jul 17, 2008

Particle physics theoretical and experimental studies参考文献 17被引用数 36

ひとこと要約

本論文は、CLEO III検出器が収集した2080万件のΥ(1S)、930万件のΥ(2S)、590万件のΥ(3S)イベントを用いて、ボトミウム崩壊におけるレプトンフラバー違反（LFV）の探索を実施する。τレプトンはeννへのレプトン崩壊を介して同定され、制御サンプルからのPDFを用いた多次元尤度フィッティングが適用された。これにより、95%信頼水準（CL）におけるLFV分岐比の上界が設定され、有効結合αN = 1の下で、新しい物理学のスケールΛに対して95% CLの下限1.34 TeVが得られた。

ABSTRACT

In this Letter we describe a search for lepton flavor violation (LFV) in the bottomonium system. We search for leptonic decays of Upsilon(nS)(n=1,2, and 3) into muon and tau using the data collected with the CLEO III detector. We identify the tau lepton using its leptonic decay into electron and utilize multidimensional likelihood fitting with PDF shapes measured from independent data samples. We report our estimates of 95% CL upper limits on LFV branching fractions of Upsilon mesons. We interpret our results in terms of the exclusion plot for the energy scale of a hypothetical new interaction versus its effective LFV coupling in the framework of effective field theory.

研究の動機と目的

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• ボトミウム崩壊Υ(nS) → μτにおけるレプトンフラバー違反（LFV）の存在を調べる。これは標準模型では禁じられているが、さまざまなBSM理論で予測されている。
• CLEO III実験のデータを用いて、Υ(nS) → μτ崩壊の分岐比に対してきびしい95%信頼水準（CL）の上界を設定する。
• 有効場理論の枠組みを用いて、観測されたLFVを新しい物理学のエネルギースケールΛとその有効結合αNに関連付ける。
• ΛとαNの間の除外図を作成し、R-数不変SUSY、レプトクォーク、そして統一理論のような新しい物理学のモデルに対する制約を提供する。

提案手法

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• CESRにおけるCLEO III検出器からのデータを用い、Υ(1S)、Υ(2S)、Υ(3S)共鳴状態のそれぞれに対して、積分的有効断面積が1.1、1.3、1.4 fb⁻¹であった。
• 信号イベントは、高品質なミュオン候補（5つのハドロン相互作用長の貫通）と、τ → ντνee崩壊からの電子候補を特徴とする。0.87 ≤ pμ/Ebeam ≤ 1.02および0.10 ≤ pe/Ebeam ≤ 0.85の条件を満たす必要がある。
• レプトン同定にはdE/dx測定、エネルギー運動量整合性（E/p）、およびチェレンコフ粒子識別を用い、効率と受容率補正を適用した。
• 信号およびバックグラウンド分布をモデル化するために、独立したΥ(4S)および連続状態データサンプルから得たPDF形状を用いた多次元尤度フィッティングを実施した。
• 有効場理論の枠組みを用い、観測されたLFV分岐比を、Γ(Υ→μτ)/Γ(Υ→μμ) = (1/2e²b)(αN/α)²(M(Υ)/Λ)⁴の関係式により、スケールΛと結合αNに関連づけた。
• すべての3つのΥ状態からの尤度関数を統合し、αN = 1の仮定の下で、Λの95% CLの下限を導出した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 .
• RQ2 さまざまなBSMモデルが予測するΥ(nS) → μτ崩壊の分岐比に対する95% CLの上界は何か？
• RQ3 有効結合αN = 1の下で、ボトミウム崩壊におけるLFVを媒介する新しい物理学のエネルギースケールΛの下限は何か？
• RQ4 B中間子およびJ/ψ崩壊における以前のLFV探索と比較して、結果はどのように異なるのか？また、新しい物理学結合の性質について何を示唆するか？
• RQ5 ボトミウム崩壊におけるLFVに寄与する新しい物理学のΛ–αN平面における除外領域は何か？

主な発見

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• Υ(1S) → μτの分岐比に対する95% CLの上界は6.0 × 10⁻⁶である。
• Υ(2S) → μτの95% CLの上界は14.4 × 10⁻⁶、Υ(3S) → μτのそれは20.3 × 10⁻⁶である。
• 統合解析により、αN = 1の仮定の下で、新しい物理学のスケールΛに対して95% CLの下限1.34 TeVが得られた。
• 除外図では、αN = 1の下でΛ > 1.34 TeVが95% CLで除外され、各Υ状態の有効断面積とバックグラウンドレベルが類似しているため、3つの状態を統合しても1%程度の改善にとどまった。
• 結果はボトミウム系にLFVが存在しないことと整合しており、有効場理論における(¯μΓμτ)(¯bγμb)四フェルミオン作用素のΛスケールに対して、これまでで最もきびしい制約を提供している。
• 分岐比の制約はB中間子崩壊のものより弱いが、これは作用素構造の違いによるものであり、ボトニウムおよび重レプトンを含む別種のBSM物理学を探索している。