[논문 리뷰] Search for Lepton Flavor Violating tau^- Decays into l^-eta, l^-eta' and l^-pi^0

The Belle Collaboration, K. Abe|ArXiv.org|2006. 09. 08.

Particle physics theoretical and experimental studies인용 수 4

한 줄 요약

이 연구는 벨 실험에서 확보한 401 fb⁻¹의 데이터를 사용하여 타우 렙톤의 렙톤 품질 위반(LFV) 붕괴인, 렙톤과 허위스칼라 메손(η, η′, π⁰)으로의 붕괴를 탐색한다. 유의미한 신호는 관측되지 않았으며, 90% 신뢰수준에서 분해율에 대한 상한선이 설정되었으며, 이는 이전의 한계를 2.3배에서 6.4배 향상시켰고, 초표준모형 이론에서의 힉스 매개 LFV를 포함한 모델을 제약한다.

ABSTRACT

We have searched for lepton flavor violating $τ$ decays with a pseudoscalar meson ($η$, $η'$ and $π^0$) using a data sample of 401 fb$^{-1}$ collected with the Belle detector at the KEKB asymmetric-energy $e^+e^-$ collider. No evidence for these decays is found and we set the following upper limits on the branching fractions: ${\cal{B}}(τ^- o e^-η) < 9.2 imes 10^{-8}$, ${\cal{B}}(τ^- o μ^-η) < 6.5 imes 10^{-8}$, ${\cal{B}}(τ^- o e^-η') < 1.6 imes 10^{-7}$, ${\cal{B}}(τ^- o μ^-η') < 1.3 imes 10^{-7}$ ${\cal{B}}(τ^- o e^-π^0) < 8.0 imes 10^{-8}$ and ${\cal{B}}(τ^- o μ^-π^0) < 1.2 imes 10^{-7}$ at the 90% confidence level, respectively. These results improve the previously published limits by factors from 2.3 to 6.4.

연구 동기 및 목표

• 표준모형에서는 금지되어 있지만 초표준모형 이론에서는 가능한, 타우 렙톤의 렙톤 품질 위반 붕괴인 ℓ⁻ + 허위스칼라 메손(η, η′, π⁰)으로의 붕괴를 탐색하는 것.
• 벨 실험의 대량 데이터 샘플을 활용하여 이러한 LFV 붕괴에 대한 기존 실험 한계의 민감도를 향상시키는 것.
• 특히 초표준모형 이론에서의 슈퍼대칭 이론에서 힉스 매개 LFV를 포함하는 모델을 제약하는 것.
• 허위스칼라 보손 탐색의 맥락에서 CDF, DØ, LEP2 실험들과 비교하여 경쟁 가능한 민감도 기준을 제공하는 것.

제안 방법

• KEK B-팩터리에서 Υ(4S) 공진 상태에서 운용되는 e⁺e⁻ 충돌 데이터 401 fb⁻¹를 사용하여 분석한다.
• 신호 유사 후보를 식별하기 위해 관측된 질량(M_inv)과 에너지 차이(ΔE) 변수의 조합을 사용하여 이벤트를 재구성한다.
• 신호 영역은 M_inv–ΔE 평면에서 타원형 윤곽선으로 정의되며, 배경은 신호 영역를 제외한 인접 영역에서 추정한다.
• 신호 및 배경 기여를 모델링하기 위해 몬테카를로 시뮬레이션을 사용하며, 배경 추정을 위해 데이터에 맞추어 정규화를 조정한다.
• 비구속 최대우도 적합을 통해 신호 수확량을 추출하고, 90% 신뢰수준에서 분해율에 대한 상한선을 설정한다.
• MSSM에서의 힉스 매개 LFV에 대한 이론적 예측을 사용하여, m_A 및 tanβ에 대한 배제 가능한 매개변수 공간으로 결과를 해석한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 τ⁻ → e⁻η 붕괴에 대한 분해율 상한선은 얼마이며, 이는 이전 측정치와 어떻게 비교되는가?
• RQ2 벨 실험은 η′ 및 π⁰ 모드로의 LFV τ 붕괴에 대해 이전 실험들에 비해 민감도를 향상시킬 수 있는가?
• RQ3 관측된 τ⁻ → μ⁻η 붕괴에 대한 상한선으로 인해, 허위스칼라 보손에 대한 m_A–tanβ 매개변수 공간의 어떤 영역이 배제되는가?
• RQ4 이 분석의 민감도는 CDF, DØ, LEP2 실험들이 힉스 매개 LFV를 탐색하는 데 비해 어떻게 비교되는가?
• RQ5 이 결과들이 최소 슈퍼대칭 표준모형의 맥락에서 렙톤 품질 위반 모델을 어느 정도 제약하는가?

주요 결과

• τ⁻ → e⁻η 붕괴에 대한 분해율 상한선은 90% 신뢰수준에서 9.2 × 10⁻⁸으로 설정되었다.
• τ⁻ → μ⁻η 붕괴에 대한 상한선은 90% 신뢰수준에서 6.5 × 10⁻⁸이며, 이는 이전 한계 대비 4.6배 향상된 것이다.
• τ⁻ → e⁻η′ 붕괴에 대한 상한선은 90% 신뢰수준에서 1.6 × 10⁻⁷이며, 이는 이전 한계 대비 6.4배 향상된 것이다.
• τ⁻ → μ⁻η′ 붕괴에 대한 상한선은 90% 신뢰수준에서 1.3 × 10⁻⁷이며, 이는 이전 한계 대비 3.2배 향상된 것이다.
• τ⁻ → e⁻π⁰ 붕괴에 대한 상한선은 90% 신뢰수준에서 8.0 × 10⁻⁸이며, 이는 이전 한계 대비 2.3배 향상된 것이다.
• 이 분석은 허위스칼라 보손에 대한 m_A–tanβ 평면에서 영역을 배제하였으며, CDF, DØ, LEP2 실험들과 경쟁 가능한 민감도를 확보하였다.