[论文解读] Measurement of the branching fractions and mass spectra for $ au$ lepton decays including $K_{S}^{0}$ at Belle

S. Ryu|arXiv (Cornell University)|Feb 19, 2013

Particle physics theoretical and experimental studies被引用 6

一句话总结

本研究基于Belle实验采集的669 fb$^{-1}$数据，对涉及$K_S^0$衰变的τ轻子分支比进行了迄今最精确的测量。研究展示了$\tau \to \pi^-K_S^0\pi^0\nu_\tau$和$\tau \to K^-K_S^0\pi^0\nu_\tau$的未折叠质量谱，揭示了1278 MeV/c$^2$处的共振态，与$f_1(1285)$一致，并首次观测到$\tau \to \pi^-K_S^0K_S^0\pi^0\nu_\tau$衰变模式，其分支比为$(2.06 \pm 0.13 \pm 0.14) \times 10^{-5}$。

ABSTRACT

We report a study of $ au$ lepton decays involving $\Ks$ with a 669 fb$^{-1}$ data sample accumulated with the Belle detector at the KEKB asymmetric-energy $e^{+}e^{-}$ collider. The branching fractions have been measured for the $ auTO \piKs u_{ au}$, $\KKs u_{ au}$, $\piKspizero u_{ au}$, $\KKspizero u_{ au}$, $\piKsKs u_{ au}$ and $\piKsKspizero u_{ au}$ decays. We also provide the unfolded mass spectra for $ auTO \piKspizero u_{ au}$ and $ auTO \KKspizero u_{ au}$.

研究动机与目标

• 利用大样本数据，提高对涉及$K_S^0$介子的$\tau$轻子衰变分支比的测量精度。
• 研究$\tau$衰变的强子结构，特别是Cabibbo抑制和多喷注模式，以检验标准模型参数如$|V_{us}|$。
• 为$\tau \to \pi^-K_S^0\pi^0\nu_\tau$和$\tau \to K^-K_S^0\pi^0\nu_\tau$提供未折叠的不变质量谱，以探测共振态贡献。
• 通过不变质量重建，识别并表征$K_S^0K_S^0\pi^0$末态中的$f_1(1285)$共振态。

提出的方法

• 利用Belle探测器在KEKB上收集的616 × 10$^6$个$\tau^+\tau^-$事例，采用轻子标记和强子标记的事件选择方法，分离出含有$K_S^0$的衰变模式。
• 采用双标记策略：对单$K_S^0$模式使用轻子标记，对多$K_S^0$模式使用轻子-强子联合标记，以提高信号事例率。
• 采用基于似然的粒子识别（PID）系统，并通过顶点拟合方法重建$K_S^0 \to \pi^+\pi^-$和$\pi^0 \to \gamma\gamma$，结合背景侧带减法技术以抑制本底。
• 利用来自控制样本（如$D^* \to D^0\pi^-$，$D^0 \to K_S^0\pi^+\pi^-$）的效率矩阵和探测器修正因子，校正PID和重建效率的损失。
• 应用奇异值分解（SVD）展开方法，重建$K_S^0\pi^0$和$K_S^0K_S^0\pi^0$系统的真正不变质量谱，校正探测器分辨率和模式间混叠效应。
• 采用Breit-Wigner信号函数与二阶多项式背景拟合$K_S^0K_S^0\pi^0$质量分布，以提取$f_1(1285)$共振态的参数。

实验结果

研究问题

• RQ1 与以往相比，$\tau \to \pi^-K_S^0\nu_\tau$、$\tau \to K^-K_S^0\nu_\tau$、$\tau \to \pi^-K_S^0\pi^0\nu_\tau$和$\tau \to K^-K_S^0\pi^0\nu_\tau$的分支比是否实现了更高精度的测量？
• RQ2 $f_1(1285)$共振态对$\pi^-K_S^0K_S^0\pi^0\nu_\tau$衰变模式的贡献如何？其质量与宽度分别是多少？
• RQ3 探测器分辨率和不同衰变模式间的混叠效应如何扭曲观测到的质量谱？这些效应在多大程度上可以被校正？
• RQ4 首次测量$\tau \to \pi^-K_S^0K_S^0\pi^0\nu_\tau$的分支比是多少？其显著性如何？
• RQ5 效率、背景估计和强子模型中的系统不确定性对最终分支比结果的影响如何？

主要发现

• $\tau \to \pi^-K_S^0\nu_\tau$的分支比测量结果为$(4.13 \pm 0.01 \pm 0.12) \times 10^{-3}$，与以往结果一致，但精度更高。
• $\tau \to K^-K_S^0\nu_\tau$的分支比为$(7.36 \pm 0.04 \pm 0.29) \times 10^{-4}$，是迄今最精确的测量之一。
• 首次观测到$\tau \to \pi^-K_S^0K_S^0\pi^0\nu_\tau$衰变，其分支比为$(2.39 \pm 0.03 \pm 0.09) \times 10^{-4}$。
• 首次测量$\tau \to \pi^-K_S^0K_S^0\pi^0\nu_\tau$的分支比为$(2.06 \pm 0.13 \pm 0.14) \times 10^{-5}$。
• $K_S^0K_S^0\pi^0$不变质量谱在1278 \pm 4 MeV/c$^2$处呈现清晰峰，与$f_1(1285)$共振态一致，宽度为35 \pm 9 MeV/c$^2$。
• 测量得到$\tau \to f_1(1285)\pi^-\nu_\tau \to \pi^-K_S^0K_S^0\pi^0\nu_\tau$的分支比为$(1.05 \pm 0.24) \times 10^{-5}$，表明该共振态有显著贡献。