[論文レビュー] Light Quark Masses from Exclusive Tau Decays: An Experimental Proposal

J. Stern, N. H. Fuchs+1 more|arXiv (Cornell University)|Oct 15, 1993

Particle physics theoretical and experimental studies被引用数 4

ひとこと要約

本稿では、排他的な $\tau \to \nu_\tau + 3\pi$ 衰えにおける方位角方向の非対称性を用いて、平均的で軽いクォーク質量 ($\hat{m} = (m_u + m_d)/2$) を間接的に測定する実験的手法を提案する。2.5 × 10^5 個のバックグラウンドを伴わない衰えのサンプルにQCD和則を適用することで、統計誤差が1 MeV程度であると推定され、QCD和則の近似による系統誤差と同等の精度に達する。

ABSTRACT

A method of indirect measurement of the light quark running mass $\hat{m} = (m_d + m_u)/2$ is elaborated in detail. It is based on measuring 1\%-level azimuthal angular asymmetries in the decay $τ ightarrow ν_τ+ 3π$. The latter are then used in QCD sum rules to obtain experimental lower bounds for $\hat{m}$. For a sample of $2.5 imes 10^5$ $τ ightarrow ν_τ+ 3π$ decays free of background, the resulting statistical error in the bound for $\hat{m}$ is estimated to be 1 MeV, i.e., comparable to the systematic error due to the use of QCD sum rules. Contribution to the Third Workshop on the $τ$ Charm Factory 1-6 June 1993, Marbella, Spain.

研究の動機と目的

• 平均的で軽いクォーク質量 $\hat{m} = (m_u + m_d)/2$ を高精度で決定する実験的手法を開発すること。
• 排他的な $\tau \to \nu_\tau + 3\pi$ 衰えを、角度分布解析を通じて軽いクォーク質量のプローブとして利用すること。
• 高統計的データ収集により、統計誤差を1 MeVにまで低減させることで、軽いクォーク質量抽出における不確かさを低減すること。
• 測定された角度非対称性にQCD和則を適用することで、$\hat{m}$ に対する実験的下限を提供すること。
• QCD和則の近似による系統誤差と同等の精度に到達する可能性を評価すること。

提案手法

• 衰え $\tau \to \nu_\tau + 3\pi$ における1%レベルの方位角角度非対称性を測定する。
• 測定された角度非対称性をQCD和則の入力として用い、軽いクォーク質量 $\hat{m}$ に対する制約を抽出する。
• $\tau$ 衰えにおける三パイオン最終状態にQCD和則を適用し、チャージド・プロダクト展開およびチャイラル摂動論的手法を活用する。
• バックグラウンドが無視できる $2.5 \times 10^5$ 個の $\tau \to \nu_\tau + 3\pi$ 衰えのサンプルを用い、統計誤差を最小限に抑える。
• 角度非対称性測定からの誤差伝搬を用いて、$\hat{m}$ に対する下限における統計誤差を推定する。
• 得られた統計的精度（1 MeV）と、QCD和則の近似から生じる系統誤差を比較する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 排他的な $\tau \to \nu_\tau + 3\pi$ 衰えにおける方位角角度非対称性は、軽いクォーク質量に関する情報を抽出するのに利用可能か？
• RQ2 この手法を用いて、軽いクォーク質量 $\hat{m}$ を測定する際に達成可能な統計的精度はどの程度か？
• RQ3 統計誤差は、QCD和則のモデル化に起因する主な系統誤差と比べてどうか？
• RQ4 軽いクォーク質量の下限における統計誤差を1 MeVに抑えるために必要な $\tau \to \nu_\tau + 3\pi$ 衰えの数はどの程度か？
• RQ5 測定された角度非対称性を入力としてQCD和則を排他的な $\tau$ 衰えに適用することで、$\hat{m}$ に対する信頼できる下限を導けるか？

主な発見

• 本手法により、平均的で軽いクォーク質量 $\hat{m}$ に対する下限における統計誤差が1 MeVに達する。
• この統計的精度は、QCD和則の手法に起因する系統誤差と同等である。
• $2.5 \times 10^5$ 個のバックグラウンドを伴わない $\tau \to \nu_\tau + 3\pi$ 衰えのサンプルで、この精度水準に十分到達できる。
• 本手法は、三パイオン最終状態における1%レベルの方位角角度非対称性の測定に依存している。
• QCD和則の適用により、角度分布データから $\hat{m}$ に対する実験的下限を抽出できる。
• 結果から、このアプローチは高精度で競争的な間接的測定を可能にする可能性を示している。