[논문 리뷰] Measurement of the branching fractions and mass spectra for $ au$ lepton decays including $K_{S}^{0}$ at Belle

S. Ryu|arXiv (Cornell University)|2013. 02. 19.

Particle physics theoretical and experimental studies인용 수 6

한 줄 요약

이 연구는 벨레 실험의 669 fb$^{-1}$ 데이터를 사용하여 $K_S^0$ 붕괴를 포함하는 타우 렙톤 브랜치링 분수의 가장 정밀한 측정치를 제시한다. $\tau \to \pi^-K_S^0\pi^0\nu_\tau$ 및 $\tau \to K^-K_S^0\pi^0\nu_\tau$에 대한 펼쳐낸 질량 스펙트럼을 도입하여 $f_1(1285)$와 일치하는 1278 MeV/c$^2$의 공명을 확인하였고, $\tau \to \pi^-K_S^0K_S^0\pi^0\nu_\tau$의 첫 관측를 보고하며 브랜치링 분수는 $(2.06 \pm 0.13 \pm 0.14) \times 10^{-5}$로 측정되었다.

ABSTRACT

We report a study of $ au$ lepton decays involving $\Ks$ with a 669 fb$^{-1}$ data sample accumulated with the Belle detector at the KEKB asymmetric-energy $e^{+}e^{-}$ collider. The branching fractions have been measured for the $ auTO \piKs u_{ au}$, $\KKs u_{ au}$, $\piKspizero u_{ au}$, $\KKspizero u_{ au}$, $\piKsKs u_{ au}$ and $\piKsKspizero u_{ au}$ decays. We also provide the unfolded mass spectra for $ auTO \piKspizero u_{ au}$ and $ auTO \KKspizero u_{ au}$.

연구 동기 및 목표

• 큰 데이터 샘플을 사용하여 $K_S^0$ 메존을 포함하는 타우 렙톤 붕괴의 브랜치링 분수를 보다 정밀하게 측정하기 위해.
• 특히 카비보 억제 및 다중 지름 모드를 포함한 타우 붕괴의 강입자 구조를 연구하여 표준모형 파rameter인 $|V_{us}|$를 시험하기 위해.
• $\tau \to \pi^-K_S^0\pi^0\nu_\tau$ 및 $\tau \to K^-K_S^0\pi^0\nu_\tau$의 펼쳐낸 진동 질량 스펙트럼을 제공하여 공명 기여를 탐색하기 위해.
• 진동 질량 재구성 방법을 통해 $K_S^0K_S^0\pi^0$ 최종 상태에서 $f_1(1285)$ 공명을 식별하고 특성화하기 위해.

제안 방법

• KEKB에서 벨레 검출기로 수집한 616 × 10$^6$개의 $\tau^+\tau^-$ 이벤트를 사용하였으며, 렙톤 태깅 및 하드론 태깅 전략을 통해 $K_S^0$를 포함하는 붕괴 모드를 분리하였다.
• 이중 태깅 전략을 적용하였는데, 단일 $K_S^0$ 모드에는 렙톤 태깅을, 다중 $K_S^0$ 모드에는 렙톤-하드론 태깅을 조합하여 신호 수확을 향상시켰다.
• 우선도 기반 입자 식별(PID) 시스템과 정점 피팅을 사용하여 $K_S^0 \to \pi^+\pi^-$ 및 $\pi^0 \to \gamma\gamma$ 재구성을 수행하였고, 배경을 억제하기 위해 사이드밴드 제거 방법을 적용하였다.
• 제어 샘플(예: $D^* \to D^0\pi^-$, $D^0 \to K_S^0\pi^+\pi^-$)에서 유도한 효율성 행렬 및 검출기 보정 요소를 사용하여 PID 및 재구성 비효율성을 보정하였다.
• 특이값 분해(SVD)를 이용한 펼침 기법을 적용하여 $K_S^0\pi^0$ 및 $K_S^0K_S^0\pi^0$ 시스템의 진짜 진동 질량 스펙트럼을 복원하였으며, 검출기 해상도 및 교차 유입 효과를 보정하였다.
• $K_S^0K_S^0\pi^0$ 질량 분포를 브라이트-위너 신호 함수와 2차 다항식 배경 함수로 피팅하여 $f_1(1285)$의 공명 파aram터를 추출하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 타우 붕괴 $\tau \to \pi^-K_S^0\nu_\tau$, $\tau \to K^-K_S^0\nu_\tau$, $\tau \to \pi^-K_S^0\pi^0\nu_\tau$, $\tau \to K^-K_S^0\pi^0\nu_\tau$의 브랜치링 분수를 더 정밀하게 측정한 결과는 무엇인가?
• RQ2 $\pi^-K_S^0K_S^0\pi^0\nu_\tau$ 붕괴 모드에서 $f_1(1285)$ 공명의 기여는 얼마이며, 그 질량과 너비는 무엇인가?
• RQ3 검출기 해상도 및 붕괴 모드 간의 교차 유입이 관측된 질량 스펙트럼을 어떻게 왜곡하는가? 그리고 이는 어느 정도 보정될 수 있는가?
• RQ4 $\tau \to \pi^-K_S^0K_S^0\pi^0\nu_\tau$의 브랜치링 분수 첫 측정치는 무엇이며, 그 유의미성은 어떠한가?
• RQ5 효율성, 배경 추정 및 강입자 모델링에서 기인하는 시스템적 불확실성은 최종 브랜치링 분수 결과에 어떤 영향을 미치는가?

주요 결과

• $\tau \to \pi^-K_S^0\nu_\tau$의 브랜치링 분수는 $(4.13 \pm 0.01 \pm 0.12) \times 10^{-3}$로 측정되었으며, 이는 이전 결과와 일치하지만 정밀도가 향상되었다.
• $\tau \to K^-K_S^0\nu_\tau$의 브랜치링 분수는 $(7.36 \pm 0.04 \pm 0.29) \times 10^{-4}$로 측정되었으며, 이는 지금까지 측정된 바 중 가장 정밀한 결과 중 하나이다.
• $\tau \to \pi^-K_S^0K_S^0\pi^0\nu_\tau$의 첫 관측 결과로 브랜치링 분수는 $(2.39 \pm 0.03 \pm 0.09) \times 10^{-4}$로 측정되었다.
• $\tau \to \pi^-K_S^0K_S^0\pi^0\nu_\tau$의 첫 측정 결과로 브랜치링 분수는 $(2.06 \pm 0.13 \pm 0.14) \times 10^{-5}$로 측정되었다.
• $K_S^0K_S^0\pi^0$ 진동 질량 스펙트럼은 1278 \pm 4 MeV/c$^2$에서 명확한 피크를 보이며, 이는 $f_1(1285)$ 공명과 일치한다. 너비는 $35 \pm 9$ MeV/c$^2$이다.
• $\tau \to f_1(1285)\pi^-\nu_\tau \to \pi^-K_S^0K_S^0\pi^0\nu_\tau$의 브랜치링 분수는 $(1.05 \pm 0.24) \times 10^{-5}$로 측정되었으며, 이는 이 공명이 상당한 기여를 한다는 것을 시사한다.