[논문 리뷰] Searches for LFV and LNV Decays at LHCb

M. Chrząszcz|arXiv (Cornell University)|2013. 01. 10.

Particle physics theoretical and experimental studies참고 문헌 7인용 수 4

한 줄 요약

이 논문은 하드론 충돌기에서 렙톤 편미분 불변성(LFV) 및 렙톤/바리온 수 불변성(LNV/BNV) 붕괴에 대한 LHCb의 첫 번째 검색을 제시하며, $\tau^{-} \to \mu^{-}\mu^{-}\mu^{+}$, $\tau^{-} \to \mu^{+}\mu^{-}\bar{p}$, 및 $\tau^{-} \to \mu^{-}\mu^{-}p$를 중심으로 다룬다. 다변량 분석을 사용하고 $D_s^+ \to \phi(\mu\mu)\pi^+$로 정규화함으로써 LHCb는 90% 신뢰수준에서 상한선을 설정한다: $\mathcal{B}(\tau^{-} \to \mu^{-}\mu^{-}\mu^{+}) < 6.3 \times 10^{-8}$, $\mathcal{B}(\tau^{-} \to \mu^{+}\mu^{-}\bar{p}) < 3.4 \times 10^{-7}$, 및 $\mathcal{B}(\tau^{-} \to \mu^{-}\mu^{-}p) < 4.4 \times 10^{-7}$로, LHCb에서 LNV/BNV $\tau$ 붕괴에 대한 첫 번째 직접 상한선을 기록한다.

ABSTRACT

The paper presents the latest progress on the searches for Lepton Number Violating (LNV) B Meson decays, the Lepton Flavour Violating (LFV) decay $\Ptau^- o \Pmu^-\Pmu^-\Pmu^+$, and the Lepton and Baryon Number Violating (LNV and BNV) decays $\Ptau^- o μ^+ μ^- \APproton$ and $\Ptau^- o μ^- μ^- \Pproton$ at the LHCb. These searches have been performed at a hadron collider for the first time. In the absence of signal we put upper limits, which are as follows: $\mathcal{B}(τ^- o μ^- μ^- μ^+) &lt; 6.3 imes 10^{-8}$, $\mathcal{B}(\Ptau^- o μ^- μ^+ \APproton) &lt; 3.4 imes 10^{-7}$, $\mathcal{B}(\Ptau^- o μ^- μ^- \Pproton) &lt; 4.4 imes 10^{-7}$ at 90% CL.

연구 동기 및 목표

• LHCb 실험에서 $\tau$ 렙톤의 렙톤 편미분 불변성(LFV) 및 렙톤/바리온 수 불변성(LNV/BNV) 붕괴에 대한 첫 번째 검색을 수행하기 위해.
• $\tau^{-} \to \mu^{-}\mu^{-}\mu^{+}$, $\tau^{-} \to \mu^{+}\mu^{-}\bar{p}$, 및 $\tau^{-} \to \mu^{-}\mu^{-}p$ 붕괴에 대한 분지비에 대한 실험적 상한선을 설정하기 위해.
• R-대칭 위반 SUSY 및 T-대칭을 가진 최소한의 히긴스 모델과 같은 LFV 및 LNV/BNV 과정을 예측하는 새로운 물리 모델을 탐색하기 위해.
• 메이저라 네트론과 $|B-L|=0,2$ 과정을 탐색하기 위해 $B$-메손 붕괴에서 $\tau$-레프톤 최종 상태로의 LHCb의 영향 범위를 확장하기 위해.
• 다변량 분석과 $D_s^+ \to \phi(\mu\mu)\pi^+$로의 정규화를 사용하여 $\tau$-레프톤의 LNV 및 BNV 붕괴에 대한 첫 번째 직접 상한선을 설정하기 위해.

제안 방법

• 신호와 배경을 구분하기 위해 강화된 결정 트리(BDT) 분류기를 사용한 다변량 분석을 통해 $\tau^{-} \to \mu^{-}\mu^{-}\mu^{+}$ 및 $\tau^{-} \to \mu^{-}\mu^{-}p$ 붕괴에서 수행하였다.
• 검출기 효율성과 재구성 효과를 보정하기 위해 절대 분지비를 추출하기 위해 $D_s^+ \to \phi(\mu\mu)\pi^+$를 정규화 채널로 사용하였다.
• $\tau^{-} \to \mu^{+}\mu^{-}\bar{p}$ 및 $\tau^{-} \to \mu^{-}\mu^{-}p$ 모드에서 뮤온과 양성자에 대해 하드 PID 컷을 적용하였으며, 신호 MC와 사이드밴드 데이터에 최적화하였다.
• 조합 배경은 지수 함수로 모델링하고, 피크형 배경(예: $D_s^+ \to \eta(\mu\mu\gamma)\mu^+\nu_\mu$)은 몬테카를로 시뮬레이션으로 모델링하였다.
• 시스템적 불확실성은 사이드밴드 보간과 질량 해상도 보정을 통해 유도하였고, 상한선은 CLs 방법을 사용하여 계산하였다.
• $D_s^+$ 붕괴 데이터에서 측정된 스케일링 및 해상도 요소를 사용하여 신호 및 배경 분포를 보정함으로써 질량 창 보정을 향상시켰다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 하드론 충돌기에서 $\tau^{-} \to \mu^{-}\mu^{-}\mu^{+}$의 분지비에 대한 첫 번째 실험적 상한선는 무엇인가요?
• RQ2 LHCb는 $\tau^{-} \to \mu^{+}\mu^{-}\bar{p}$ 및 $\tau^{-} \to \mu^{-}\mu^{-}p$와 같은 렙톤 수 불변성 및 바리온 수 불변성 붕괴에 대해 첫 번째 직접 상한선를 설정할 수 있는가요?
• RQ3 LHCb의 $\tau$-레프톤 LFV 및 LNV/BNV 붕괴에 대한 한계는 이전의 $B$-팩토리 및 $B$-메손 검색 결과와 어떻게 비교될 수 있나요?
• RQ4 다변량 분석과 $D_s^+ \to \phi(\mu\mu)\pi^+$로의 정규화는 LHCb에서 희귀 $\tau$ 붕괴에 대한 감도를 얼마나 향상시킬 수 있나요?
• RQ5 현재의 한계와 시뮬레이션 기반 예측을 바탕으로, LHCb 업그레이드 이후 이 희귀 붕괴에 대한 기대 감도는 어느 정도일까요?

주요 결과

• LHCb에서 $\tau^{-} \to \mu^{-}\mu^{-}\mu^{+}$에 대한 첫 번째 검색 결과로, 90% 신뢰수준에서 상한선 $\mathcal{B}(\tau^{-} \to \mu^{-}\mu^{-}\mu^{+}) < 6.3 \times 10^{-8}$을 확보하였다.
• $\tau^{-} \to \mu^{+}\mu^{-}\bar{p}$ 및 $\tau^{-} \to \mu^{-}\mu^{-}p$ 붕괴에 대한 첫 번째 직접 상한선는 각각 $\mathcal{B}(\tau^{-} \to \mu^{+}\mu^{-}\bar{p}) < 3.4 \times 10^{-7}$ 및 $\mathcal{B}(\tau^{-} \to \mu^{-}\mu^{-}p) < 4.4 \times 10^{-7}$로, 90% 신뢰수준에서 설정되었다.
• $\tau^{-} \to \mu^{-}\mu^{-}\mu^{+}$의 상한선는 최고의 $B$-팩토리 한계보다 약 3배 느슨하지만, 향후 LHCb 업그레이드 후 전체 데이터로 개선되어 $\sim 8 \times 10^{-9}$ 수준으로 향상될 것으로 예상된다.
• 이 분석은 하드론 충돌기에서 다변량 기법과 $D_s^+ \to \phi(\mu\mu)\pi^+$로의 정규화를 사용하여 LNV 및 BNV 붕괴를 탐색하는 것이 가능함을 보여주었다.
• 피크형 $D_s^+ \to \eta(\mu\mu\gamma)\mu^+\nu_\mu$ 기여를 포함한 배경 모델링은 $5\,\text{fb}^{-1}$의 시뮬레이션 데이터로 검증되었다.
• 시스템적 불확실성은 사이드밴드 보간 및 질량 해상도 보정을 통해 추정되었으며, 이는 CLs 기반 상한선 계산의 강건성을 보장하였다.