[論文レビュー] Measurement of the branching fractions and mass spectra for $τ$ lepton decays including $K_{S}^{0}$ at Belle

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

Particle physics theoretical and experimental studies参考文献 11被引用数 6

ひとこと要約

本研究では、Belle実験の669 fb⁻¹のデータを用いて、$K^0_S$ を含むτレプトンの分岐率および質量スペクトルを精密に測定した。$K^0_S K^0_S \to \tau^- \to \bar{\nu}_\tau$ の崩壊モードにおいて、1278 ± 4 MeV/c²の共鳴状態が観測され、これは$f_1(1285)$と一致する。また、SVDアンフォールディングを用いて、$\pi^-K^0_S\pi^0$および$K^-K^0_S\pi^0$モードの補正済み質量スペクトルを抽出した。

ABSTRACT

We report a study of $τ$ 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 ν_τ$, $\KKs ν_τ$, $\piKspizero ν_τ$, $\KKspizero ν_τ$, $\piKsKs ν_τ$ and $\piKsKspizero ν_τ$ decays. We also provide the unfolded mass spectra for $ auTO \piKspizero ν_τ$ and $ auTO \KKspizero ν_τ$.

研究の動機と目的

• 大規模な$\tau^+\tau^-$データサンプルを用いて、Cabibbo抑制およびマルチ・ブランチのτ崩壊における$K^0_S$ を含む分岐率を測定すること。
• ハドロン最終状態のインバリアント質量スペクトルを決定し、ハドロン的弱カレントおよび共鳴構造を調べること。
• 検出器のエネルギー分解能および効率による歪みを補正するため、SVDアンフォールディングを適用すること。
• 特に$K^0_S K^0_S \pi^0$系における$f_1(1285)$の共鳴的寄与を特定・特徴づけること。
• 将来的なグローバルフィットに備えて、系統的相関を含む不確実性の共分散行列を提供すること。

提案手法

• KEKBにおける$\Upsilon(4S)$共鳴エネルギーで取得された616 × 10⁶の$\tau^+\tau^-$イベントを、Belle検出器を用いて分析した。
• 信号選別に、レプトンタグ付きおよびハドロンタグ付きイベントを用い、$K^0_S \to \pi^+\pi^-$の頂点フィッティングにより$K^0_S$ を再構築した。
• 信号側のチャージドパイオンとカイオンを区別するため、尤度変数を用いた粒子識別(PID)を実施した。
• 既知の分岐率を持つ$e$-$\mu$イベントを正規化基準として用い、式$\mathcal{B}(\tau^- \to X^- \nu_\tau) = \frac{N^{\rm Sig}_{X\textrm{-}l}}{N_{e\textrm{-}\mu}} \frac{\mathcal{B}_e \mathcal{B}_\mu}{\mathcal{B}_e + \mathcal{B}_\mu}$ により分岐率を計算した。
• $K^0_S K^0_S \pi^0$質量スペクトルから共鳴パラメータを抽出するため、Breit-Wigner信号確率密度関数と2次多項式背景モデルを用いた。
• 検出器のエネルギー分解能、効率、および$\pi^-K^0_S\pi^0$と$K^-K^0_S\pi^0$モード間のクロスフィードを補正するため、特異値分解(SVD)アンフォールディングを適用した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 $\tau^-$崩壊における$K^0_S$ を含み、最大4粒子の最終状態を伴う分岐率は何か？
• RQ2 $\tau^- \to \pi^- K^0_S K^0_S \pi^0 \nu_\tau$ の$K^0_S K^0_S \pi^0$インバリアント質量スペクトルに現れる共鳴構造は何か？
• RQ3 検出器のエネルギー分解能および効率が、$\tau^- \to \pi^- K^0_S \pi^0 \nu_\tau$ および $\tau^- \to K^- K^0_S \pi^0 \nu_\tau$ 崩壊における観測された質量スペクトルにどのように歪みをもたらすか？
• RQ4 $f_1(1285)$共鳴状態が$\pi^- K^0_S K^0_S \pi^0 \nu_\tau$ 崩壊モードに寄与する割合は何か？
• RQ5 類似した崩壊モード間のクロスフィードおよび検出器効果をどのように補正し、真の質量スペクトルを抽出できるか？

主な発見

• $\tau^- \to \pi^- K^0_S \nu_\tau$ の分岐率は$(1.16 \pm 0.02) \times 10^{-2}$ と測定され、以前の測定と整合的である。
• $\tau^- \to K^- K^0_S \nu_\tau$ の分岐率は$(1.00 \pm 0.02) \times 10^{-2}$ と測定され、大規模なデータサンプルのおかげで精度が向上した。
• $K^0_S K^0_S \pi^0$質量スペクトルに、1278 ± 4 MeV/c²の明確な共鳴ピークが観測され、幅は35 ± 9 MeV/c²であった。これは$f_1(1285)$共鳴状態と一致する。
• $\tau^- \to f_1(1285) \pi^- \nu_\tau \to \pi^- K^0_S K^0_S \pi^0 \nu_\tau$ の分岐率は$(1.05 \pm 0.24) \times 10^{-5}$ と測定され、この崩壊モードへの寄与が顕著であることが示された。
• SVDアンフォールディング技術により、$\pi^- K^0_S \pi^0 \nu_\tau$ および $K^- K^0_S \pi^0 \nu_\tau$ の真の質量スペクトルが再構築され、$\pi^- K^0_S \pi^0$モードに$K_1(1280)$に類似した共鳴的構造が明らかになった。
• 本研究では、すべての測定分岐率について、系統的相関を含む完全な不確実性の共分散行列を提供した。