[論文レビュー] Searches for LFV and LNV Decays at LHCb

M. Chrząszcz|arXiv (Cornell University)|Jan 10, 2013

Particle physics theoretical and experimental studies参考文献 7被引用数 4

ひとこと要約

本論文は、ハドロン衝突型加速器における最初のレプトンフレーバー破損（LFV）およびレプトン/バリオン数破損（LNV/BNV）崩壊のLHCb探索を提示する。主な対象は $\tau^{-} \to \mu^{-}\mu^{-}\mu^{+}$、$\tau^{-} \to \mu^{+}\mu^{-}\bar{p}$、および $\tau^{-} \to \mu^{-}\mu^{-}p$ である。多変量解析を用い、$D_s^+ \to \phi(\mu\mu)\pi^+$ を正規化基準として用いることで、90%信頼水準（CL）における上限を設定した。その結果、$\mathcal{B}(\tau^{-} \to \mu^{-}\mu^{-}\mu^{+}) < 6.3 \times 10^{-8}$、$\mathcal{B}(\tau^{-} \to \mu^{+}\mu^{-}\bar{p}) < 3.4 \times 10^{-7}$、$\mathcal{B}(\tau^{-} \to \mu^{-}\mu^{-}p) < 4.4 \times 10^{-7}$ が得られ、LHCbにおけるLNV/BNV $\tau$ 崩壊の最初の直接的上限が得られた。

ABSTRACT

The paper presents the latest progress on the searches for Lepton Number Violating (LNV) B Meson decays, the Lepton Flavour Violating (LFV) decay $\Ptau^- o \Pmu^-\Pmu^-\Pmu^+$, and the Lepton and Baryon Number Violating (LNV and BNV) decays $\Ptau^- o μ^+ μ^- \APproton$ and $\Ptau^- o μ^- μ^- \Pproton$ at the LHCb. These searches have been performed at a hadron collider for the first time. In the absence of signal we put upper limits, which are as follows: $\mathcal{B}(τ^- o μ^- μ^- μ^+) &lt; 6.3 imes 10^{-8}$, $\mathcal{B}(\Ptau^- o μ^- μ^+ \APproton) &lt; 3.4 imes 10^{-7}$, $\mathcal{B}(\Ptau^- o μ^- μ^- \Pproton) &lt; 4.4 imes 10^{-7}$ at 90% CL.

研究の動機と目的

• LHCb実験における $\tau$ レプトンのレプトンフレーバー破損（LFV）およびレプトン/バリオン数破損（LNV/BNV）崩壊の最初の探索を実施すること。
• $\tau^{-} \to \mu^{-}\mu^{-}\mu^{+}$、$\tau^{-} \to \mu^{+}\mu^{-}\bar{p}$、および $\tau^{-} \to \mu^{-}\mu^{-}p$ 崩壊の分岐比に対する実験的上限を設定すること。
• R-パリティ破損SUSYやT対称性を有するリトルヘスウィットネスモデルなどの、LFVおよびLNV/BNV過程を予測する新しい物理学モデルを探査すること。
• マヨラナニュートリノや $|B-L|=0,2$ の過程を探索するため、LHCbの探査範囲を $B$-メソン崩壊から $\tau$-レプトン終状態へと拡張すること。
• 多変量解析と $D_s^+ \to \phi(\mu\mu)\pi^+$ を用いた正規化により、$\tau$ レプトンのLNVおよびBNV崩壊に対する最初の直接的上限を確立すること。

提案手法

• $\tau^{-} \to \mu^{-}\mu^{-}\mu^{+}$ および $\tau^{-} \to \mu^{-}\mu^{-}p$ 崩壊において、信号とバックグラウンドを区別するためにブーストされた意思決定木（BDT）分類器を用いた多変量解析を実施した。
• 検出器効率および再構成効果を補正するために、$D_s^+ \to \phi(\mu\mu)\pi^+$ を正規化チャネルとして用い、絶対的分岐比を抽出した。
• $\tau^{-} \to \mu^{+}\mu^{-}\bar{p}$ および $\tau^{-} \to \mu^{-}\mu^{-}p$ モードにおいて、信号MCとサイドバンプデータに最適化されたハードPIDカットを適用した。
• 組み合わせ的バックグラウンドは指数関数でモデル化し、ピーク型バックグラウンド（例：$D_s^+ \to \eta(\mu\mu\gamma)\mu^+\nu_\mu$）はモンテカルロシミュレーションでモデル化した。
• 系統的不確実性はサイドバンプ補間および質量分解能補正から導出し、CLs法を用いて上限を計算した。
• $D_s^+ \to \phi(\mu\mu)\pi^+$ データから測定されたスケーリングおよび分解能係数を用いて、信号およびバックグラウンド分布の補正を行い、質量窓のキャリブレーションを改善した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 ハドロン衝突型加速器における $\tau^{-} \to \mu^{-}\mu^{-}\mu^{+}$ の分岐比に対する最初の実験的上限は何か？
• RQ2 LHCbは、$\tau^{-} \to \mu^{+}\mu^{-}\bar{p}$ や $\tau^{-} \to \mu^{-}\mu^{-}p$ のようなレプトン数破損およびバリオン数破損 $\tau$ 崩壊に対して、最初の直接的上限を設定できるか？
• RQ3 LHCbが得た $\tau$ レプトンのLFVおよびLNV/BNV崩壊の上限は、$B$-ファクトリーおよび $B$-メソン探索からの以前の上限と比べてどう異なるか？
• RQ4 多変量解析と $D_s^+ \to \phi(\mu\mu)\pi^+$ を用いた正規化は、LHCbにおけるレア $\tau$ 崩壊の感度をどの程度向上できるか？
• RQ5 現在の上限とシミュレーションベースの予測を踏まえて、アップグレード後のLHCbがこれらのレア崩壊に対してどの程度の感度を有するようになるか？

主な発見

• LHCbによる $\tau^{-} \to \mu^{-}\mu^{-}\mu^{+}$ の最初の探索は、90%信頼水準（CL）で $\mathcal{B}(\tau^{-} \to \mu^{-}\mu^{-}\mu^{+}) < 6.3 \times 10^{-8}$ の上限を得た。
• $\tau^{-} \to \mu^{+}\mu^{-}\bar{p}$ および $\tau^{-} \to \mu^{-}\mu^{-}p$ 崩壊に対する最初の直接的上限が、それぞれ $\mathcal{B}(\tau^{-} \to \mu^{+}\mu^{-}\bar{p}) < 3.4 \times 10^{-7}$ および $\mathcal{B}(\tau^{-} \to \mu^{-}\mu^{-}p) < 4.4 \times 10^{-7}$（90%CL）として設定された。
• $\tau^{-} \to \mu^{-}\mu^{-}\mu^{+}$ の上限は、$B$-ファクトリーで得られた最良の上限よりも約3倍緩いが、LHCbアップグレード後の全データを用いることで $\sim 8 \times 10^{-9}$ まで改善されると予想される。
• 本分析は、多変量技術と $D_s^+ \to \phi(\mu\mu)\pi^+$ を用いた正規化を組み合わせることで、ハドロン衝突型加速器におけるLNVおよびBNV崩壊の探索が可能であることを示した。
• バックグラウンドモデル化（例：$D_s^+ \to \eta(\mu\mu\gamma)\mu^+\nu_\mu$ のピーク型寄与）は、$5\,\text{fb}^{-1}$ のシミュレートデータを用いて妥当性が確認された。
• 系統的不確実性はサイドバンプ補間および質量分解能補正により推定され、CLsに基づく上限計算の堅牢性が確保された。