[논문 리뷰] A Search for Leptoquark Bosons and Lepton Flavor Violation in Positron-Proton Collisions at HERA

C. Adloff|arXiv (Cornell University)|1999. 07. 02.

Particle physics theoretical and experimental studies인용 수 27

한 줄 요약

이 논문은 1994–1997년 동안의 37 pb⁻¹ 데이터를 바탕으로 HERA에서 양성자-전자 충돌에서 첫 번째 세대 렙토쿠아크스(LQs)와 렙톤 편미분 불변(LFV)을 탐색한다. LQ 요하다 상수에 대한 새로운 제약 조건을 설정하여, λ = 0.3일 때 스칼라 LQs의 경우 최대 275 GeV까지 배제하고, 10%의 e⁺u 분해비를 가진 LQs의 경우 최대 260 GeV까지 배제한다. μ⁺X 또는 τ⁺X 최종 상태에서 LFV에 대한 증거는 관측되지 않았다.

ABSTRACT

A search for new bosons possessing couplings to lepton-quark pairs is performed in the H1 experiment at HERA using 1994 to 1997 data corresponding to an integrated luminosity of 37pb^-1. First generation leptoquarks (LQs) are searched in very high Q^2 neutral (NC) and charged (CC) current data samples. The measurements are compared to Standard Model (SM) expectations from deep-inelastic scattering (DIS). A deviation in the Q^2 spectrum previously observed in the 1994 to 1996 dataset at Q^2 \gsim 15000GeV^2 remains, though with less significance. This deviation corresponded to a clustering in the invariant mass spectrum at M \simeq 200 GeV which is not observed with the 1997 dataset alone. The NC DIS data is used to constrain the Yukawa couplings lambda of first generation scalar and vector LQs in the Buchmueller-Rueckl-Wyler effective model. Scalar LQs are excluded for masses up to 275GeV for a coupling of electromagnetic strength, lambda=0.3. A sensitivity to coupling values \lsim 1 is established for masses up to 400GeV for any LQ type. The NC and CC DIS data are combined to constrain lambda for arbitrary branching ratios of the LQ into eq in a generic model. For a decay branching ratio into e^+ u pairs as small as 10%, LQ masses up to 260 GeV are ruled out for lambda=0.3. LQs possessing couplings to mixed fermion generations, which could lead to signals of lepton flavor violation (LFV), are searched in events with a high transverse momentum mu or tau. No mu+X or tau+X event candidate is found that is compatible with LQ kinematics. Constraints are set on the Yukawa coupling involving the mu and tau lepton in a yet unexplored mass range.

연구 동기 및 목표

• 1994~1997년의 데이터를 사용하여 HERA에서 고-Q² 깊은 비탄성 산란(DIS) 사건에서 첫 번째 세대 렙토쿠아크스(LQs)를 탐색한다.
• 이전 HERA 데이터에서 관측된 Q² 스펙트럼의 이질성, 특히 Q² ≳ 15,000 GeV²에서의 이질성의 지속 여부를 조사한다.
• 중성 및 양성 전류(DIS 데이터를 사용하여 부크뮐러-뤼크-바일러 효과적 장 이론 모델에서 스칼라 및 벡터 LQs의 요하다 상수(λ)를 제약 조건화한다.
• LQ의 μ 또는 τ 최종 상태로의 붕괴를 통해 렙톤 편미분 불변(LFV)을 탐색하여 이전에 탐색되지 않은 질량 범위를 조사한다.
• NC 및 CC DIS 데이터를 조합하여 e⁺u 쌍으로의 임의의 분해비에 대해 LQ 결합 상수에 대한 제약 조건을 설정한다.

제안 방법

• HERA의 H1 실험에서 확보한 37 pb⁻¹의 통합 루미노사티를 분석하여 고-Q² 중성 전류 및 양성 전류 DIS 사건에 집중한다.
• 레프톤 쿼크 쌍으로의 렙토쿠아크스 생성을 나타내는 공진 구조를 탐색하기 위해 진동 질량 스펙트럼과 Q² 분포를 사용한다.
• 스칼라 및 벡터 LQ의 쿼크-렙톤 쌍으로의 결합을 기술하기 위해 부크뮐러-뤼크-바일러 효과적 장 이론 모델을 적용한다.
• 중성 전류(NC) 및 양성 전류(CC) DIS 데이터를 조합하여 다양한 분해비에서 LQ 결합 상수에 대한 감도를 향상시킨다.
• e⁺u, μ⁺X 또는 τ⁺X 최종 상태로의 LQ 붕괴 서명을 식별하기 위해 운동량 재구성 및 이벤트 선택 절차를 수행한다.
• 통계적 가설 검정을 통해 신호 및 표준모형 배경 기대치를 고려하여 요하다 상수 λ에 대한 상한을 설정한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 Q² ≳ 15,000 GeV²에서 이전에 관측된 Q² 스펙트럼 이질성은 전체 1994–1997년 데이터셋에서도 여전히 유의미한가?
• RQ2 부크뮐러-뤼크-바일러 모델에서 첫 번째 세대 스칼라 및 벡터 렙토쿠아크스의 요하다 상수(λ)에 대한 제약 조건은 무엇인가?
• RQ3 다른 페르미온 세대와의 결합을 가진 렙토쿠아크스는 μ⁺X 또는 τ⁺X 최종 상태에서의 렙톤 편미분 불변을 통해 탐지될 수 있는가?
• RQ4 e⁺u 쌍으로의 분해비가 10%일 경우 LQ 결합 상수에 대한 감도는 어떻게 되는가?
• RQ5 특히 LFV의 맥락에서 λ ≤ 1인 경우 렙토쿠아크스의 질량 범위는 어느 정도 배제되는가?

주요 결과

• 1994–1996년 데이터에서 관측된 M ≈ 200 GeV에서의 클러스터링을 보인 Q² ≳ 15,000 GeV²에서의 Q² 스펙트럼 이질성은 1997년 데이터에서는 더 이상 유의미하지 않다.
• 부크뮐러-뤼크-바일러 모델에서 λ = 0.3일 때 스칼라 렙토쿠아크스는 최대 275 GeV까지 배제된다.
• 레프톤 페르미온의 종류에 관계없이 렙토쿠아크스 질량이 최대 400 GeV일 때까지 λ ≤ 1인 요하다 상수에 대한 감도가 확립된다.
• e⁺u 쌍으로의 분해비가 10%일 경우 λ = 0.3일 때 렙토쿠아크스 질량은 최대 260 GeV까지 배제된다.
• μ⁺X 또는 τ⁺X 최종 상태로의 렙토쿠아크스 붕괴에 부합하는 이벤트는 관측되지 않아, 뮤온 및 타우에 대한 요하다 상수에 대한 새로운 제약 조건이 설정된다.
• 이전에 탐색되지 않은 질량 범위에서 렙토쿠아크스 결합 상수의 렙톤 편미분 불변에 대한 제약 조건이 설정되었다.