[논문 리뷰] Search for Lepton Flavor Violation in Upsilon Decays

CLEO Collaboration, W. A. Love|arXiv (Cornell University)|2008. 07. 17.

Particle physics theoretical and experimental studies참고 문헌 17인용 수 36

한 줄 요약

이 논문은 CLEO III 검출기에서 수집한 2080만 개의 Υ(1S), 930만 개의 Υ(2S), 590만 개의 Υ(3S) 이벤트를 바탕으로, 바닥온륨 붕괴에서 렙톤 플레버 위반(LFV)을 탐색한다. 구체적으로 Υ(nS) → μτ의 경우를 대상으로 한다. τ 렙톤은 eνν로의 렙톤 붕괴를 통해 식별되며, 제어 샘플에서 유도된 확률밀도함수(PDF)를 사용한 다차원 최대우도 적합을 통해 95% 신뢰수준(CL) 상한선을 설정한다. 이 결과로 효과적 결합 αN = 1일 때 새로운 물리 스케일 Λ에 대한 95% CL 하한선 1.34 TeV을 도출한다.

ABSTRACT

In this Letter we describe a search for lepton flavor violation (LFV) in the bottomonium system. We search for leptonic decays of Upsilon(nS)(n=1,2, and 3) into muon and tau using the data collected with the CLEO III detector. We identify the tau lepton using its leptonic decay into electron and utilize multidimensional likelihood fitting with PDF shapes measured from independent data samples. We report our estimates of 95% CL upper limits on LFV branching fractions of Upsilon mesons. We interpret our results in terms of the exclusion plot for the energy scale of a hypothetical new interaction versus its effective LFV coupling in the framework of effective field theory.

연구 동기 및 목표

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• 표준모형에서는 금지되나 다양한 브라운-스탠다드 모형(BSM) 이론에서 예측하는 바닥온륨 붕괴 Υ(nS) → μτ에서의 렙톤 플레버 위반(LFV) 존재 여부를 탐색하기 위함이다.
• CLEO III 실험의 데이터를 이용하여 Υ(nS) → μτ 붕괴의 분율에 대한 엄격한 95% 신뢰수준(CL) 상한선을 설정하기 위함이다.
• 관측된 LFV를 효과적 양자장이론의 프레임워크에서 해석하여, 새로운 물리의 에너지 스케일 Λ와 그 효과적 결합 αN 간의 관계를 설정하기 위함이다.
• R-대칭 위반 초대칭, 렙토쿼크, 대통합이론 등 다양한 새로운 물리 모델에 대한 제약을 제공하는 Λ 대 αN의 배제도를 제작하기 위함이다.

제안 방법

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• CESR에서의 CLEO III 검출기 데이터를 사용하였으며, Υ(1S), Υ(2S), Υ(3S) 공명에 대해 각각 1.1, 1.3, 1.4 fb⁻¹의 통합 루미노시티를 확보하였다.
• 신호 이벤트는 고품질의 뮤온 후보(5개의 강입자 상호작용 길이를 관통)와 τ → ντνee 붕괴에서 유래한 전자 후보를 기반으로 식별되며, 0.87 ≤ pμ/Ebeam ≤ 1.02 및 0.10 ≤ pe/Ebeam ≤ 0.85 조건을 요구한다.
• 렙톤 식별은 dE/dx 측정, 에너지-운동량 일관성(E/p), 체렌코프 기반 입자 식별을 기반으로 하며, 효율성 및 수용률 보정을 적용한다.
• 신호 및 배경 분포를 모델링하기 위해 독립적인 Υ(4S) 및 연속 스펙트럼 샘플에서 유도된 PDF 형상과 함께 다차원 최대우도 적합을 수행한다.
• 효과적 양자장이론 프레임워크를 사용하여 관측된 LFV 붕괴 분율과 스케일 Λ, 결합 αN 간의 관계를 다음과 같은 식으로 기술한다: Γ(Υ→μτ)/Γ(Υ→μμ) = (1/2e²b)(αN/α)²(M(Υ)/Λ)⁴.
• 모든 세 개의 Υ 상태에서 유도된 통합 최대우도 함수를 사용하여, αN = 1을 가정할 때 Λ에 대한 95% CL 하한선을 유도한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 .
• RQ2 다양한 BSM 모델이 예측하는 Υ(nS) → μτ 붕괴 분율에 대한 95% CL 상한선는 무엇인가?
• RQ3 효과적 결합 αN = 1을 가정할 때 바닥온륨 붕괴에서 LFV를 매개할 수 있는 새로운 물리의 에너지 스케일 Λ에 대한 하한선은 무엇인가?
• RQ4 이 결과는 B 메손과 J/ψ 붕괴에서의 이전 LFV 탐색 결과와 비교해 볼 때, 새로운 물리 결합의 성격에 대해 어떤 시사점을 제공하는가?
• RQ5 바닥온륨 붕괴에서 LFV에 기여하는 새로운 물리 기여에 대해 Λ–αN 평면에서의 배제 영역은 어떻게 되는가?

주요 결과

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• Υ(1S) → μτ 붕괴 분율에 대한 95% CL 상한선은 6.0 × 10⁻⁶이다.
• Υ(2S) → μτ에 대한 95% CL 상한선은 14.4 × 10⁻⁶이며, Υ(3S) → μτ에 대해서는 20.3 × 10⁻⁶이다.
• 통합 분석 결과, αN = 1을 가정할 때 새로운 물리 스케일 Λ에 대한 95% CL 하한선은 1.34 TeV이다.
• 배제도는 αN = 1일 때 Λ > 1.34 TeV가 95% CL로 배제됨을 보여주며, 유사한 루미노시티와 배경 수준로 인해 모든 세 개의 Υ 상태를 통합할 경우 약 1%의 성능 향상 뿐이다.
• 결과는 바닥온륨 시스템에서 LFV가 존재하지 않음을 지지하며, 효과적 양자장이론에서 (¯μΓμτ)(¯bγμb) 사중립 Fermion 연산자에 대해 현재까지 가장 엄격한 Λ 스케일 제약를 제공한다.
• 다른 연산자 구조로 인해 B-메손 붕괴 결과보다 상한선가 덜 엄격하지만, 바닥 쿼크와 무거운 렙톤을 포함하는 새로운 BSM 물리의 별개의 클래스를 탐색한다.