[논문 리뷰] Selected topics in tau physics from BaBar

S. Paramesvaran|arXiv (Cornell University)|2009. 10. 15.

Particle physics theoretical and experimental studies인용 수 3

한 줄 요약

이 논문은 BaBar 데이터 423 fb$^{-1}$에서의 하드론성 붕괴 $\tau^\pm \to \pi^+\pi^-\pi^\pm \nu_\tau$ 를 이용하여 타우 레프톤 질량과 $\tau^+\tau^-$ 질량 차이의 고정밀 측정을 제시한다. CPT 불변성 검증을 위해 허위질량 종점 방법을 사용하여 $\tau^+$와 $\tau^-$ 질량을 독립적으로 측정하였다. 또한 $\tau^- \to K^0_S\pi^-\nu_\tau$ 및 $\tau^- \to K^0_S\pi^-\pi^0\nu_\tau$ 붕괴에서 $K^*(892)^{-}$ 공명 파rameter의 개선된 측정치를 보고하였으며, 이는 이전 벨레 결과 대비 정밀도가 두 배 향상된 것이다.

ABSTRACT

Selected results from tau analyses performed using the BaBar detector at the SLAC National Accelerator Laboratory are presented. A precise measurement of the tau mass and the tau{+} tau{-} mass difference is undertaken using the hadronic decay mode tau- --> pi+ pi- pi- nu. In addition an investigation into the strange decay modes tau- --> K0S pi- pi0 nu and tau- --> K0S pi- nu is also presented, including a fit to the tau- --> K0S pi-nu invariant mass spectrum. Precise values for the Mass and Width of the K*(892) are obtained.

연구 동기 및 목표

• 고정밀도로 $\tau^+\tau^-$ 질량 차이를 측정하여 CPT 불변성을 검증한다.
• 붕괴 $\tau^\pm \to \pi^+\pi^-\pi^\pm \nu_\tau$ 에서 허위질량 종점 방법을 사용하여 타우 레프톤 질량을 결정한다.
• 특히 $\tau^- \to K^0_S\pi^-\nu_\tau$ 와 $\tau^- \to K^0_S\pi^-\pi^0\nu_\tau$ 를 포함한 이상한 하드론성 타우 붕괴의 분해비 및 관측 질량 스펙트럼을 측정한다.
• $\tau^- \to K^0_S\pi^-\nu_\tau$ 관측 질량 스펙트럼에서 $K^*(892)^{-}$ 공명의 질량과 너비를 정밀하게 추출한다.
• $\tau$ 붕괴의 몬테카를로 모델링을 향상시키기 위해 $\tau^- \to K^0_S\pi^-\pi^0\nu_\tau$ 에서 측정된 하드론 질량 분포를 통합한다.

제안 방법

• 허위질량 종점 방법을 사용하여 $\tau$ 질량을 재구성한다. 이는 $M_p = \sqrt{M_h^2 + 2(\sqrt{s}/2 - E_h^*)(E_h^* - P_h^*)}$ 로 정의되며, $\theta^* = 0$ 인 가정 하에 $M_h$, $E_h^*$, $P_h^*$ 는 각각 $e^+e^-$ 중심질량 프레임에서의 하드론계 질량, 에너지, 운동량을 의미한다.
• 허위질량 분포의 종점은 $F(x) = (p_3 + p_4x)\tan^{-1}\left(\frac{p_1 - x}{p_2}\right) + p_5 + p_6x$ 의 경험적 함수로 피팅하며, $p_1$ 은 종점으로 식별되며 몬테카를로 시뮬레이션을 통해 $M_\tau$ 와 관련된다.
• $\tau^- \to K^0_S\pi^-\nu_\tau$ 에서는 공명 및 비공명 진폭의 조합을 사용한 관측 질량 스펙트럼 피팅을 수행한다. 여기에는 $K^*(892)^{-}$, $K^*(1410)^{-}$, $K^*(800)^{-}$ 가 포함되며, 체계적 불확실성은 다른 모델 피팅 결과로부터 추정된다.
• $\tau^- \to K^0_S\pi^-\pi^0\nu_\tau$ 로부터 기인한 배경 기여는 측정된 하드론 질량 분포를 사용하여 모델링되며, 이는 $K^0_S\pi^-$ 질량 스펙트럼 피팅의 정확도를 향상시킨다.
• 체계적 불확실성은 트랙 운동량 재구성, 에너지 손실, 자기장 해상도 및 모델 의존성의 영향을 분석하여 평가되며, 주요 기여는 트랙 운동량 과소평가이다.
• 최종 결과는 $\tau^+$ 와 $\tau^-$ 붕괴에 대한 독립적 분석을 조합하여 도출되며, 통계적 및 체계적 불확실성은 피팅 및 校정 절차 동안 전파된다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 타우 레프톤 질량의 정밀한 값은 얼마이며, 세계 평균과 비교해 볼 때 어떻게 되는가?
• RQ2 $\tau^+\tau^-$ 질량 차이는 얼마이며, CPT 불변성을 지지하는가?
• RQ3 $\tau^- \to \bar{K}^0\pi^-\pi^0\nu_\tau$ 와 $\tau^- \to K^0_S\pi^-\nu_\tau$ 붕괴의 분해비는 무엇인가?
• RQ4 $\tau^- \to K^0_S\pi^-\nu_\tau$ 붕괴로부터 유도된 $K^*(892)^{-}$ 공명의 질량과 너비는 무엇인가?
• RQ5 $K^*(800)^{-}$ 와 $K^*(1410)^{-}$ 를 포함한 대안적 공명 모델이 단일 $K^*(892)^{-}$ 공명보다 $K^0_S\pi^-$ 관측 질량 스펙트럼을 더 잘 기술할 수 있는가?

주요 결과

• 타우 레프톤 질량은 $1776.68 \pm 0.12\,\text{(통계)} \pm 0.41\,\text{(체계)}\,\text{MeV}/c^2$ 로 측정되었으며, 세계 평균과 일치한다.
• $\tau^+\tau^-$ 질량 차이는 $\frac{M_{\tau^{-}} - M_{\tau^{+}}}{\langle M\rangle} = -3.4 \pm 1.3\,\text{(통계)} \pm 0.3\,\text{(체계)} \times 10^{-4}$ 로 측정되었으며, CPT 불변성을 지지한다.
• $\tau^- \to \bar{K}^0\pi^-\pi^0\nu_\tau$ 의 분해비는 $(0.342 \pm 0.006\,\text{(통계)} \pm 0.015\,\text{(체계)})\%$ 로 측정되었으며, 정밀도가 향상되었다.
• $K^*(892)^{-}$ 공명 질량은 $894.30 \pm 0.19\,\text{(통계)} \pm 0.19\,\text{(체계)}\,\text{MeV}/c^2$ 로 결정되었으며, 세계 평균 대비 높은 질량 값으로의 이동을 확인한다.
• $K^*(892)^{-}$ 너비는 $45.56 \pm 0.43\,\text{(통계)} \pm 0.57\,\text{(체계)}\,\text{MeV}/c$ 로 측정되었으며, 이는 이전 벨레 측정치 대비 정밀도가 두 배 향상된 것이다.
• $K^*(800)^{-}$, $K^*(892)^{-}$, $K^*(1410)^{-}$ 공명의 조합은 $K^0_S\pi^-$ 관측 질량 스펙트럼을 잘 기술하며, 다중 공명 기여의 존재를 지지한다.