[논문 리뷰] Charged-lepton-flavour violation at the LHC: a search for $Z o e au/\mu au$ decays with the ATLAS detector

G. Aad, Brad Abbott외 2935명|arXiv (Cornell University)|2020. 01. 01.

Particle physics theoretical and experimental studies참고 문헌 25인용 수 2

한 줄 요약

이 논문은 LHC의 ATLAS 검출기에서 확보한 √s = 13 TeV에서의 139 fb⁻¹의 양성자-양성자 충돌 데이터를 사용하여 Z 보손의 렙톤-플레처-비반영성 붕괴인 타우 렙톤과 더 가벼운 전하 렙톤(e 또는 μ)으로의 붕괴를 탐색한다. 새로운 신체계 모델의 신호일 수 있는 이 현상은 표준모형을 넘어서는 물리학을 시사한다. 새로 개발된 신경망 분류기와 구간 최대우도 추정 방법을 사용하여, 이번 연구는 이전 LEP 실험의 제약을 뛰어넘는 가장 엄격한 제약 조건을 설정하였다. 95% 신뢰수준에서 관측된 붕괴 분율의 상한은 eτ 채널에서 8.1 × 10⁻⁶, μτ 채널에서 9.5 × 10⁻⁶이었다.

ABSTRACT

In the Standard Model of particle physics, leptons are key building blocks of matter and come in three families (flavours). Leptons of different flavours have the same properties, except for their mass. In addition, the number of leptons in each family is conserved in interactions. Such conservation is known as lepton flavour conservation, and no fundamental principles impose it. Since the formulation of the Standard Model, the observation of flavour oscillations among neutrinos (the neutral leptons) has demonstrated that neutrinos have mass and in neutrino weak interactions the lepton flavour is not conserved. To date, there is no experimental evidence that lepton flavour violation occurs in interactions between charged leptons, and an observation of such a phenomenon would be an exciting sign of new particles or new type of interactions beyond the Standard Model. The ATLAS experiment at the Large Hadron Collider at CERN sets a new constraint on lepton-flavour-violating effects in weak interactions, searching for $Z$-boson decays into a $ au$-lepton and another lepton of different flavour ($e$ or $\mu$) with opposite electric charge. The branching fractions for these decays are now measured by the ATLAS experiment to be less than $8.1 imes10^{-6}$ ($e au$) and $9.5 imes10^{-6}$ ($\mu au$) at 95% confidence level, using 139 fb$^{-1}$ of proton-proton collision data at centre-of-mass energy $\sqrt{s}=13$ TeV and 20.3 fb$^{-1}$ at $\sqrt{s}=8$ TeV. These results supersede the best limits set by the LEP experiments more than two decades ago.

연구 동기 및 목표

• 표준모형을 넘어서는 새로운 물리학을 시사하는 Z 보손의 전하 렙톤-플레처-비반영성 붕괴인 타우 렙톤과 더 가벼운 전하 렙톤(e 또는 μ)으로의 붕괴를 탐색하는 것.
• 배경 억제를 위한 고급 기계학습 기법을 적용하여 희귀 Z 보손 붕괴에 대한 감도를 향상시키는 것.
• 이전 LEP 실험의 제약을 뛰어넘어, Z → eτ 및 Z → μτ 붕괴 분율에 대한 가장 엄격한 실험적 제약 조건을 설정하는 것.
• 무거운 뉴트리노 또는 기타 새로운 물리 메커니즘을 통한 렙톤-플레처-비반영성 예측을 테스트하는 것.

제안 방법

• LHC 런 2 동안 ATLAS 검출기에서 확보한 √s = 13 TeV에서의 139 fb⁻¹의 pp 충돌 데이터를 사용한다.
• 타우 렙톤의 해체된 입자(τhad-vis)는 캘로리메터 및 트래킹 정보를 사용한 순환 신경망을 통해 식별된다.
• 전자 및 뮤온 후보자는 중간 식별 기준과 강한 고립 기준을 사용하며, pT > 30 GeV 및 |η| < 2.5 조건을 충족시킨다.
• 신경망 분류기는 주요 배경인 Z → ℓℓ 및 Z → ττ 붕괴와 신호 사건을 최적으로 구분하도록 훈련된다.
• 신호 수확량을 추출하고 95% 신뢰수준에서 붕괴 분율의 상한을 설정하기 위해 구간 최대우도 추정을 수행한다.
• μτ 채널의 결과는 이전 LHC 런 1 분석(√s = 8 TeV에서 20.3 fb⁻¹)과 조합되어 감도를 향상시킨다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 Z → eτ 붕괴의 붕괴 분율 상한은 얼마이며, 이는 이전 실험과 비교해 어떻게 다를까?
• RQ2 Z → μτ 붕괴의 붕괴 분율 상한은 얼마이며, 이는 이전 LEP 제약을 뛰어넘는가?
• RQ3 신경망 기반 분류기는 전통적 방법에 비해 희귀 Z 보손 붕괴에 대한 감도를 크게 향상시킬 수 있는가?
• RQ4 런 1과 런 2 데이터를 조합함으로써 렙톤-플레처-비반영성 Z 붕괴에 대한 감도는 어느 정도 향상되는가?

주요 결과

• Z → eτ 붕괴의 관측된 붕괴 분율 상한은 95% 신뢰수준에서 8.1 × 10⁻⁶이었다.
• Z → μτ 붕괴의 관측된 붕괴 분율 상한은 95% 신뢰수준에서 9.5 × 10⁻⁶이었다.
• 이 제약 조건들은 이전까지 가장 엄격한 것으로, 이전 LEP 제약 조건인 9.8 × 10⁻⁶(eτ) 및 1.2 × 10⁻⁵(μτ)를 초월하였다.
• τhad-vis 식별에 순환 신경망을 사용함으로써 신호 대 배경 분리 능력이 분석에서 향상되었다.
• 런 1과 런 2 데이터의 조합은 특히 μτ 채널에서 감도를 향상시켰다.
• 결과는 무거운 뉴트리노 또는 기타 새로운 물리 메커니즘을 통한 렙톤-플레처-비반영성 예측을 제약하는 데 강력한 제약 조건을 제공한다.