[論文レビュー] Selected topics in tau physics from BaBar

S. Paramesvaran|arXiv (Cornell University)|Oct 15, 2009

Particle physics theoretical and experimental studies被引用数 3

ひとこと要約

本論文では、423 fb$^{-1}$ の BaBar データを用いて、ハドロン崩壊 $\tau^\pm \to \pi^+\pi^-\pi^\pm \nu_\tau$ を用い、擬似質量エンドポイント法を採用して $\tau^+$ と $\tau^-$ の質量を独立に測定し、CPT不変性のテストを行う高精度なタウレプトン質量および $\tau^+\tau^-$ 質量差の測定を報告する。また、$\tau^- \to K^0_S\pi^-\nu_\tau$ および $\tau^- \to K^0_S\pi^-\pi^0\nu_\tau$ 崩壊からの $K^*(892)^{-}$ 共鳴パラメータの改良測定も報告しており、以前の Belle 測定結果と比較して精度が2倍向上している。

ABSTRACT

Selected results from tau analyses performed using the BaBar detector at the SLAC National Accelerator Laboratory are presented. A precise measurement of the tau mass and the tau{+} tau{-} mass difference is undertaken using the hadronic decay mode tau- --> pi+ pi- pi- nu. In addition an investigation into the strange decay modes tau- --> K0S pi- pi0 nu and tau- --> K0S pi- nu is also presented, including a fit to the tau- --> K0S pi-nu invariant mass spectrum. Precise values for the Mass and Width of the K*(892) are obtained.

研究の動機と目的

• 高精度で $\tau^+\tau^-$ 質量差を測定することにより、CPT不変性をテストすること。
• 崩壊 $\tau^\pm \to \pi^+\pi^-\pi^\pm \nu_\tau$ において、擬似質量エンドポイント法を用いてタウレプトン質量を決定すること。
• 特に $\tau^- \to K^0_S\pi^-\nu_\tau$ および $\tau^- \to K^0_S\pi^-\pi^0\nu_\tau$ を含む、奇妙ハドロン的 $\tau$ 崩壊の分岐比およびインバリアント質量スペクトルを測定すること。
• $\tau^- \to K^0_S\pi^-\nu_\tau$ のインバリアント質量スペクトルから、$K^*(892)^{-}$ 共鳴の質量および幅の正確な値を抽出すること。
• $\tau$ 崩壊のモンテカルロモデルを、$\tau^- \to K^0_S\pi^-\pi^0\nu_\tau$ からの測定済みのハドロン質量分布を組み込むことで改善すること。

提案手法

• 擬似質量エンドポイント法を用いて、$\tau$ 質量を再構築する。$M_p = \sqrt{M_h^2 + 2(\sqrt{s}/2 - E_h^*)(E_h^* - P_h^*)}$ を定義し、$\theta^* = 0$ を仮定する。ここで $M_h$、$E_h^*$、$P_h^*$ は、$e^+e^-$ の重心系フレームにおけるハドロン系の質量、エネルギー、運動量を表す。
• 擬似質量分布のエンドポイントは、関数 $F(x) = (p_3 + p_4x)\tan^{-1}\left(\frac{p_1 - x}{p_2}\right) + p_5 + p_6x$ を用いてフィットする。$p_1$ はエンドポイントとして特定され、モンテカルロシミュレーションにより $M_\tau$ に関連づけられる。
• $\tau^- \to K^0_S\pi^-\nu_\tau$ の場合、共鳴および非共鳴振幅の組み合わせを用いたインバリアント質量スペクトルへのフィットを実施する。これには $K^*(892)^{-}$、$K^*(1410)^{-}$、$K^*(800)^{-}$ が含まれ、系統的不確実性は代替モデルのフィットから推定される。
• $\tau^- \to K^0_S\pi^-\pi^0\nu_\tau$ からのバックグラウンド寄与は、測定済みのハドロン質量分布を用いてモデル化され、$K^0_S\pi^-$ 質量スペクトルのフィット精度が向上する。
• 系統的不確実性は、トラック運動量再構築、エネルギー損失、磁場分解能、モデル依存性の影響を検討することで評価され、主な寄与はトラック運動量の低減推定である。
• 最終的な結果は、$\tau^+$ および $\tau^-$ 崩壊の独立した解析を組み合わせることで得られ、統計的および系統的不確実性はフィッティングおよびキャリブレーション手順にわたって伝搬される。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 タウレプトン質量の正確な値は何か？ また、世界平均値と比較するとどうなるか？
• RQ2 $\tau^+\tau^-$ 質量差は何か？ CPT不変性を支持するか？
• RQ3 奇妙ハドロン的 $\tau$ 崩壊 $\tau^- \to \bar{K}^0\pi^-\pi^0\nu_\tau$ および $\tau^- \to \bar{K}^0\pi^-\nu_\tau$ の分岐比は何か？
• RQ4 $\tau^- \to K^0_S\pi^-\nu_\tau$ 崩壊から得られる $K^*(892)^{-}$ 共鳴の質量および幅は何か？
• RQ5 $K^*(800)^{-}$ および $K^*(1410)^{-}$ を含む代替共鳴モデルは、単一の $K^*(892)^{-}$ 共鳴よりも、$K^0_S\pi^-$ インバリアント質量スペクトルをよりよく記述できるか？

主な発見

• タウレプトン質量は $1776.68 \pm 0.12\,\text{(統計)} \pm 0.41\,\text{(系統)}\,\text{MeV}/c^2$ と測定され、世界平均値と整合的である。
• $\tau^+\tau^-$ 質量差は $\frac{M_{\tau^{-}} - M_{\tau^{+}}}{\langle M\rangle} = -3.4 \pm 1.3\,\text{(統計)} \pm 0.3\,\text{(系統)} \times 10^{-4}$ と測定され、CPT不変性と整合的である。
• $\tau^- \to \bar{K}^0\pi^-\pi^0\nu_\tau$ の分岐比は $(0.342 \pm 0.006\,\text{(統計)} \pm 0.015\,\text{(系統)})\%$ と測定され、精度が向上した。
• $K^*(892)^{-}$ 共鳴の質量は $894.30 \pm 0.19\,\text{(統計)} \pm 0.19\,\text{(系統)}\,\text{MeV}/c^2$ と決定され、世界平均値と比較してやや高い値にシフトしていることが確認された。
• $K^*(892)^{-}$ の幅は $45.56 \pm 0.43\,\text{(統計)} \pm 0.57\,\text{(系統)}\,\text{MeV}/c$ と測定され、以前の Belle 測定結果と比較して精度が2倍向上した。
• $K^*(800)^{-}$、$K^*(892)^{-}$、$K^*(1410)^{-}$ の共鳴の組み合わせは、$K^0_S\pi^-$ インバリアント質量スペクトルを良好に記述でき、複数の共鳴的寄与の存在を支持する。