[논문 리뷰] $ au^- o\pi^-\gamma u_ au$ as a source of background on the Lepton Flavour Violating decay $ au^- o\mu^-\gamma$

Zhi-Hui Guo, Pablo Roig|arXiv (Cornell University)|2010. 10. 14.

Particle physics theoretical and experimental studies참고 문헌 37인용 수 1

한 줄 요약

이 논문은 강한 상호작용 효과를 Resonance Chiral Theory (RχT)를 사용하여 τ⁻ → π⁻γντ의 복사 붕괴를 계산하며, QCD 제약 조건을 통합하여 자유 매개변수 없이 형상 인자들을 예측한다. 고에너지 광자 영역에서 구조적 기여(Structure-dependent, SD) 기여가 지배적이며, 이는 렙톤-플레버 위반 붕괴 τ⁻ → μ⁻γ를 모방한다. 이로 인해 PHOTOS는 배경을 약 5배 정도 과소평가하며, 이는 현재의 분지비율 한계에 영향을 줄 수 있다.

ABSTRACT

We calculate the decay of $ au^- o\pi^-\gamma u_ au$ in the framework of Resonance Chiral Theory ($R\chi T$). By demanding the high energy constraints from QCD on the related form factors, we could predict the various physical observables of $ au^- o\pi^-\gamma u_ au$ without any free parameter. Our results show that for a realistic cut on the photon energy (around $100$ MeV) this mode gives a branching ratio of roughly $0.1%$ that should have already been detected at the heavy-flavour factories. Another interesting subject we have studied based on our calculation of the decay $ au^- o\pi^-\gamma u_ au$ is the experimental background estimation of the lepton flavour violation process $ au^- o \mu^- \gamma$. We point out that although the description of radiation that PHOTOS provides -which has been used by BaBar and Belle collaborations to estimate this source of background- is in excellent agreement with the theoretical expectations in the low energy region in $ au^- o\pi^-\gamma u_ au$ decay, this is not the case in the high energy region, precisely where it is easier that this decay mimics the process $ au^- o\mu^-\gamma$.

연구 동기 및 목표

• 강한 상호작용 효과를 Resonance Chiral Theory (RχT)를 사용하여 τ⁻ → π⁻γντ의 붕괴 진폭을 계산하고, QCD 제약 조건을 통합한다.
• 구조적 기여(Structure-dependent, SD) 형상 인자가 광자 에너지 스펙트럼에 끼치는 영향을 평가한다.
• PHOTOS가 lepton-flavor-violating τ⁻ → μ⁻γ 탐색에서 τ⁻ → π⁻γντ의 배경을 추정하는 데 있어 신뢰성 있는지 평가한다.
• 고에너지 광자 영역에서 PHOTOS 시뮬레이션과 이론적 예측 간의 격차를 정량화한다.

제안 방법

• 강한 상호작용 효과를 Resonance Chiral Theory (RχT)를 사용하여 모델링하고, 형상 인자에 대한 QCD 제약 조건을 통합한다.
• 벡터(V) 및 양성자성(AXIAL-VECTOR, A) 형상 인자를 통해 내부 브레머스트라할링(IB) 및 구조적 기여(SD) 기여를 포함한 행렬 원소를 유도한다.
• x = 2pτ·k/Mτ²에 대한 미분 붕괴 폭 dΓ/dx를 계산하며, x ≈ 1은 고에너지 광자 영역에 해당한다.
• 이론적 예측과 PHOTOS 및 MC-TESTER 시뮬레이션을 비교하며 고에너지 종단점 영역에 집중한다.
• π 및 γ가 9 MeV 이내로 τ 질량을 재구성하는 사건을 분리하기 위해 누락 질량 재구성 분석을 수행한다.
• 광자 스펙트럼의 마지막 여섯 개 밴에서 PHOTOS(IB 전용)와 전체 이론적 예측(IB + SD)을 비교하여 배경 과소평가 정도를 추정한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 고에너지 종단점 근처에서 구조적 기여(SD) 기여는 τ⁻ → π⁻γντ의 광자 에너지 스펙트럼에 어떻게 영향을 미치는가?
• RQ2 PHOTOS 이벤트 생성기는 τ⁻ → μ⁻γ 탐색에서 τ⁻ → π⁻γντ의 배경을 어느 정도 과소평가하는가?
• RQ3 τ → μ⁻γ에 관련된 고에너지 광자 영역에서 PHOTOS와 이론적 예측 간의 정량적 격차는 무엇인가?
• RQ4 SD 형상 인자를 포함할 경우 실제 실험 조건에 맞는 절단 조건 하에서 τ⁻ → π⁻γντ의 분지비율 추정치는 어떻게 변화하는가?
• RQ5 τ⁻ → π⁻γντ 붕괴는 향후 렙톤-플레버 위반 탐색에서 신뢰할 수 있는 배경 추정 도구가 될 수 있는가?

주요 결과

• 100 MeV 이상의 광자 에너지를 가진 τ⁻ → π⁻γντ의 분지비율은 약 0.1%로 예측되며, 이는 B-팩토리에서 검출 가능했을 것이다.
• 고에너지 영역(x ≈ 1)에서 구조적 기여(SD) 기여가 지배적이며, 이는 내부 브레머스트라할링(IB)이 저에너지에서 지배하는 것과는 정반대이다.
• PHOTOS는 τ⁻ → μ⁻γ와 가장 유사하게 나타나는 고에너지 영역에서 τ⁻ → π⁻γντ의 배경을 약 5배 과소평가한다.
• 전체 붕괴 폭는 SD 기여로 인해 약간만 영향을 받는다(Γ_all / Γ_IB ≈ 1.1), 하지만 종단점 영역의 스펙트럼 형태는 크게 변화한다.
• 격차의 원인은 PHOTOS가 QED 기반의 IB 기여만 모델링하고 SD 기여를 무시하기 때문이다. 종단점 근처에서는 SD 기여가 매우 중요하다.
• 저자들은 PHOTOS와 TAUOLA를 새로운 RχT 기반의 강입자 전류로 업데이트하여 배경 추정 정확도를 향상시키기를 권장한다.