[논문 리뷰] Search for Lepton-Flavor-Violating $τ$ Decays to a Lepton and an Invisible Boson at Belle II

Belle II Collaboration, I. Adachi외 399명|arXiv (Cornell University)|2022. 01. 01.

Particle physics theoretical and experimental studies인용 수 3

한 줄 요약

이 논문은 10.58 GeV의 중심질량 에너지에서 SuperKEKB 콜라이더에서 Belle II 실험을 통해 확보한 62.8 fb⁻¹의 데이터를 사용하여, 전하 렙톤과 투명한 스핀-0 보손(α)으로의 렙톤-플레버 위반 τ 붕괴에 대한 가장 엄격한 검색을 수행한다. α의 질량이 0에서 1.6 GeV/c² 사이일 때, B(τ⁻→e⁻α)/B(τ⁻→e⁻νₑνₜ)의 분해율 비율에 대한 95% 신뢰수준 상한은 1.1×10⁻³에서 9.7×10⁻³이며, B(τ⁻→μ⁻α)/B(τ⁻→μ⁻ν_μνₜ)의 경우 0.7×10⁻³에서 12.2×10⁻³이다.

ABSTRACT

We search for lepton-flavor-violating $τ^- o e^-α$ and $τ^- oμ^-α$ decays, where $α$ is an invisible spin-0 boson. The search uses electron-positron collisions at $10.58$ GeV center-of-mass energy with an integrated luminosity of $62.8$ fb$^{-1}$, produced by the SuperKEKB collider and collected with the Belle II detector. We search for an excess in the lepton-energy spectrum of the known $τ^- o e^-\barν_e ν_τ$ and $τ^- o μ^-\barν_μν_τ$ decays. We report 95\% confidence-level upper limits on the branching-fraction ratio ${\mathcal B}(τ^- o e^- α) / {\mathcal B}(τ^- o e^- \barν_e ν_τ)$ in the range $(1.1-9.7) imes 10^{-3}$ and on ${\mathcal B}(τ^- o μ^- α) / {\mathcal B}(τ^- o μ^- \barν_μν_τ)$ in the range $(0.7-12.2) imes 10^{-3}$ for $α$ masses between 0 and 1.6 GeV/c$^2$. These results provide the most stringent bounds on invisible boson production from $τ$ decays.

연구 동기 및 목표

• 표준모형을 초월하는 여러 이론에서 예측된, 전하 렙톤과 투명한 스핀-0 보손(α)으로의 렙톤-플레버 위반 τ 붕괴를 탐색하기 위해.
• 축합자 유사 입자와 암흑물질 후보를 포함한 표준모형을 확장하는 모델을 검증하기 위해.
• 이전 실험적 한계를 초월하여, τ 붕괴에서 투명한 보손 생성에 대한 민감도를 향상시키기 위해.
• 희귀 τ 붕괴의 고정밀 측정을 통해 새로운 물리 모델의 매개변수 공간을 제약하기 위해.

제안 방법

• Belle II 검출기에서 확보한 √s = 10.58 GeV에서의 e⁺e⁻ 충돌 데이터 62.8 fb⁻¹를 사용한다.
• 이벤트는 τ⁻→e⁻νₑνₜ 및 τ⁻→μ⁻ν_μνₜ 붕괴의 최종 상태를 식별함으로써 재구성되며, 부족한 에너지와 운동량은 투명한 입자 α 존재를 추론하는 데 사용된다.
• 표준모형 배경를 억제하기 위해 운동학적 재구성과 이벤트 선택 기준이 적용되며, 주로 렙톤 에너지 스펙트럼에 초점을 맞춘다.
• 신호 유사 초과를 탐지하기 위해 신뢰도 기반 방법을 사용하며, τ⁻→ℓ⁻α 붕괴의 신호를 가정한다.
• 체계적 불확실성을 고려하여 프로파일-신뢰도 방법을 사용하여 분해율 비율에 대한 상한을 설정한다.
• α는 질량이 0에서 1.6 GeV/c² 사이인 스핀-0 보손으로 가정하며, e⁻ 및 μ⁻ 최종 상태 모두를 고려한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 투명한 보손 질량이 0에서 1.6 GeV/c² 사이일 때, B(τ⁻→e⁻α)/B(τ⁻→e⁻νₑνₜ)의 분해율 비율에 대한 상한은 무엇인가?
• RQ2 동일한 질량 범위에서 B(τ⁻→μ⁻α)/B(τ⁻→μ⁻ν_μνₜ)의 상한은 무엇인가?
• RQ3 이 결과들은 투명한 스핀-0 보손으로의 렙톤-플레버 위반 쿠퍼링을 포함하는 모델을 어떻게 제약하는가?
• RQ4 이전 실험들과 비교해 Belle II 실험이 τ 붕괴에서 투명한 보손 생성에 대해 어떤 민감도를 가지는가?
• RQ5 이 결과들은 축합자 유사 입자와 암흑물질 매개체에 대한 이론적 예측과 어떻게 비교되는가?

주요 결과

• α 질량이 0에서 1.6 GeV/c² 사이일 때, B(τ⁻→e⁻α)/B(τ⁻→e⁻νₑνₜ)에 대한 95% 신뢰수준 상한은 1.1×10⁻³에서 9.7×10⁻³ 사이이다.
• 동일한 α 질량 범위에서 B(τ⁻→μ⁻α)/B(τ⁻→μ⁻ν_μνₜ)에 대한 95% 신뢰수준 상한은 0.7×10⁻³에서 12.2×10⁻³ 사이이다.
• 이 결과들은 τ 붕괴에서 투명한 보손 생성에 대해 지금까지 가장 엄격한 실험적 한계를 제공한다.
• 특히 저질량 영역에서 이전의 검색보다 상당히 더 엄격한 한계를 확보하였다.
• Belle II가 투명한 입자를 포함한 렙톤-플레버 위반 과정에 대해 매우 민감한 것을 입증하였다.
• 이 결과들은 축합자 유사 입자와 암흑물질 매개체를 포함한 광범위한 BSM 모델의 매개변수 공간을 제약한다.