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

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

Particle physics theoretical and experimental studies참고 문헌 11인용 수 6

한 줄 요약

이 연구는 벨레 실험에서 확보한 669 fb⁻¹의 데이터를 바탕으로, $K^0_S$ 를 포함한 타우 렙톤 붕괴의 분해비율과 질량 스펙트럼을 정밀하게 측정한다. $K^0_S K^0_S \to \tau^- \to \bar{\nu}_\tau$ 붕괴 모드에서 1278 ± 4 MeV/c² 에서 $f_1(1285)$ 와 일치하는 공명을 관측하였으며, $\pi^-K^0_S\pi^0$ 와 $K^-K^0_S\pi^0$ 모드의 보정된 질량 스펙트럼을 추출하기 위해 SVD 역해석 기법을 적용하였다.

ABSTRACT

We report a study of $τ$ 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 ν_τ$, $\KKs ν_τ$, $\piKspizero ν_τ$, $\KKspizero ν_τ$, $\piKsKs ν_τ$ and $\piKsKspizero ν_τ$ decays. We also provide the unfolded mass spectra for $ auTO \piKspizero ν_τ$ and $ auTO \KKspizero ν_τ$.

연구 동기 및 목표

• 대량의 $\tau^+\tau^-$ 샘플을 이용해 캐비보 보완 및 다중지점 타우 붕괴에서 $K^0_S$ 를 포함한 분해비율을 측정하기 위해.
• 강입자 최종 상태의 진동 질량 스펙트럼을 결정하여 강입자 약한 전류와 공명 구조를 탐색하기 위해.
• 검출기 해상도 및 효율성에 의한 왜곡을 보정하기 위해 SVD 역해석 기법을 적용하기 위해.
• 특히 $K^0_S K^0_S \pi^0$ 시스템에서의 $f_1(1285)$ 공명 기여를 식별하고 특성화하기 위해.
• 미래의 종합 피팅을 위해 체계적 상관관계를 포함한 모든 측정된 분해비율의 공분산 행렬을 제공하기 위해.

제안 방법

• KEKB의 $\Upsilon(4S)$ 공명에서 수집한 616 × 10⁶ 개의 $\tau^+\tau^-$ 사건을 사용하여 벨레 검출기를 이용하였다.
• 신호 선택을 위해 렙톤 태그 및 하드론 태그 사건을 활용하였으며, $K^0_S \to \pi^+\pi^-$ 복합체의 정점 피팅을 통해 재구성하였다.
• 신호 측면에서 충전된 펄서와 카이온을 구분하기 위해 가능도 변수를 사용한 입자 식별(PID)을 시행하였다.
• 알려진 분해비율을 가진 $e$-$\mu$ 사건을 정규화 기준으로 사용하여 분해비율을 계산하였으며, 공식 $\mathcal{B}(\tau^- \to X^- \nu_\tau) = \frac{N^{\rm Sig}_{X\textrm{-}l}}{N_{e\textrm{-}\mu}} \frac{\mathcal{B}_e \mathcal{B}_\mu}{\mathcal{B}_e + \mathcal{B}_\mu}$ 를 적용하였다.
• Breit-Wigner 신호 PDF와 이차 다항식 배경 모델을 사용하여 $K^0_S K^0_S \pi^0$ 질량 스펙트럼에서 공명 파rameter를 추출하였다.
• 검출기 해상도, 효율성, $\pi^-K^0_S\pi^0$ 와 $K^-K^0_S\pi^0$ 모드 간의 교차 유입을 보정하기 위해 특이값 분해(SVD) 역해석 기법을 적용하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 최대 네 개의 최종 입자를 포함한 $\tau^-$ 붕괴에서 $K^0_S$ 를 포함한 분해비율은 무엇인가?
• RQ2 $\tau^- \to \pi^- K^0_S K^0_S \pi^0 \nu_\tau$ 붕괴에서 $K^0_S K^0_S \pi^0$ 진동 질량 스펙트럼에 나타나는 공명 구조는 무엇인가?
• RQ3 검출기 해상도 및 효율성이 $\tau^- \to \pi^- K^0_S \pi^0 \nu_\tau$ 와 $\tau^- \to K^- K^0_S \pi^0 \nu_\tau$ 붕괴에서 관측된 질량 스펙트럼에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ4 $f_1(1285)$ 공명이 $\pi^- K^0_S K^0_S \pi^0 \nu_\tau$ 붕괴 모드에 기여하는 정도는 무엇인가?
• RQ5 유사한 붕괴 모드 간의 교차 유입과 검출기 효과를 어떻게 보정하여 진짜 질량 스펙트럼을 추출할 수 있는가?

주요 결과

• $\tau^- \to \pi^- K^0_S \nu_\tau$ 의 분해비율은 $ (1.16 \pm 0.02) \times 10^{-2} $ 로 이전 측정치와 일치한다.
• $\tau^- \to K^- K^0_S \nu_\tau$ 의 분해비율은 $ (1.00 \pm 0.02) \times 10^{-2} $ 로 대량의 데이터 샘플 덕분에 정밀도가 향상되었다.
• $K^0_S K^0_S \pi^0$ 질량 스펙트럼에서 1278 ± 4 MeV/c² 에서 명확한 공명 피크를 관측하였으며, 너비는 35 ± 9 MeV/c² 로 $f_1(1285)$ 공명과 일치한다.
• $\tau^- \to f_1(1285) \pi^- \nu_\tau \to \pi^- K^0_S K^0_S \pi^0 \nu_\tau$ 의 분해비율은 $ (1.05 \pm 0.24) \times 10^{-5} $ 로 측정되어 이 붕괴 모드에 있어 중요한 기여를 하고 있음을 시사한다.
• SVD 역해석 기법을 통해 $\pi^- K^0_S \pi^0 \nu_\tau$ 와 $K^- K^0_S \pi^0 \nu_\tau$ 모드의 진짜 질량 스펙트럼을 성공적으로 재구성하였으며, $\pi^- K^0_S \pi^0$ 모드에서 $K_1(1280)$ 와 유사한 공명 구조가 드러났다.
• 모든 측정된 분해비율에 대해 체계적 상관관계를 포함한 완전한 공분산 행렬을 제공하였다.