[论文解读] Searches for LFV and LNV Decays at LHCb

M. Chrząszcz|arXiv (Cornell University)|Jan 10, 2013

Particle physics theoretical and experimental studies参考文献 7被引用 4

一句话总结

本论文首次在强子对撞机上对轻子 flavor 破坏（LFV）和轻子/重子数破坏（LNV/BNV）衰变进行了LHCb搜索，重点关注 $\tau^{-} \to \mu^{-}\mu^{-}\mu^{+}$、$\tau^{-} \to \mu^{+}\mu^{-}\bar{p}$ 和 $\tau^{-} \to \mu^{-}\mu^{-}p$ 衰变。通过多变量分析并以 $D_s^+ \to \phi(\mu\mu)\pi^+$ 为归一化通道，LHCb在90%置信水平下设定上限：$\mathcal{B}(\tau^{-} \to \mu^{-}\mu^{-}\mu^{+}) < 6.3 \times 10^{-8}$，$\mathcal{B}(\tau^{-} \to \mu^{+}\mu^{-}\bar{p}) < 3.4 \times 10^{-7}$，以及 $\mathcal{B}(\tau^{-} \to \mu^{-}\mu^{-}p) < 4.4 \times 10^{-7}$，标志着LHCb首次对LNV/BNV $\tau$ 衰变实现直接限制。

ABSTRACT

The paper presents the latest progress on the searches for Lepton Number Violating (LNV) B Meson decays, the Lepton Flavour Violating (LFV) decay $\Ptau^- o \Pmu^-\Pmu^-\Pmu^+$, and the Lepton and Baryon Number Violating (LNV and BNV) decays $\Ptau^- o μ^+ μ^- \APproton$ and $\Ptau^- o μ^- μ^- \Pproton$ at the LHCb. These searches have been performed at a hadron collider for the first time. In the absence of signal we put upper limits, which are as follows: $\mathcal{B}(τ^- o μ^- μ^- μ^+) &lt; 6.3 imes 10^{-8}$, $\mathcal{B}(\Ptau^- o μ^- μ^+ \APproton) &lt; 3.4 imes 10^{-7}$, $\mathcal{B}(\Ptau^- o μ^- μ^- \Pproton) &lt; 4.4 imes 10^{-7}$ at 90% CL.

研究动机与目标

• 在LHCb实验中首次开展 $\tau$ 轻子的轻子 flavor 破坏（LFV）和轻子/重子数破坏（LNV/BNV）衰变的搜索。
• 对 $\tau^{-} \to \mu^{-}\mu^{-}\mu^{+}$、$\tau^{-} \to \mu^{+}\mu^{-}\bar{p}$ 和 $\tau^{-} \to \mu^{-}\mu^{-}p$ 衰变的分支分数设定实验上限。
• 检验预测LFV和LNV/BNV过程的新物理模型，如R-奇偶性破坏的SUSY和具有T-奇偶性的最小Higgs模型。
• 将LHCb的探测能力拓展至 $B$-介子衰变之外，用于探测马约拉纳中微子和 $|B-L|=0,2$ 过程，目标为 $\tau$-轻子末态。
• 通过多变量分析并以 $D_s^+ \to \phi(\mu\mu)\pi^+$ 为参考，建立对 $\tau$-轻子LNV和BNV衰变的首个直接限制。

提出的方法

• 采用基于提升决策树（BDT）分类器的多变量分析方法，以区分 $\tau^{-} \to \mu^{-}\mu^{-}\mu^{+}$ 和 $\tau^{-} \to \mu^{-}\mu^{-}p$ 衰变中的信号与背景。
• 使用 $D_s^+ \to \phi(\mu\mu)\pi^+$ 作为归一化通道，以提取绝对分支分数，同时校正探测器效率和重建效应。
• 在 $\tau^{-} \to \mu^{+}\mu^{-}\bar{p}$ 和 $\tau^{-} \to \mu^{-}\mu^{-}p$ 模式中对μ子和质子应用硬性PID截断，优化基于信号蒙特卡罗和边带数据。
• 利用蒙特卡罗模拟对组合背景建模为指数函数，对峰态背景（如 $D_s^+ \to \eta(\mu\mu\gamma)\mu^+\nu_\mu$）进行建模。
• 使用CLs方法计算上限，系统误差来源于边带插值和质量分辨率修正。
• 利用 $D_s^+ \to \phi(\mu\mu)\pi^+$ 数据测量的缩放因子和分辨率因子，对信号和背景分布进行校正，以改善质量窗口校准。

实验结果

研究问题

• RQ1 在强子对撞机上，$\tau^{-} \to \mu^{-}\mu^{-}\mu^{+}$ 衰变的分支分数首个实验限制是什么？
• RQ2 LHCb能否对 $\tau^{-} \to \mu^{+}\mu^{-}\bar{p}$ 和 $\tau^{-} \to \mu^{-}\mu^{-}p$ 等LNV和BNV $\tau$ 衰变设定首个直接限制？
• RQ3 LHCb对 $\tau$-轻子LFV和LNV/BNV衰变的限制与之前来自$B$-工厂和$B$-介子搜索的限制相比如何？
• RQ4 多变量分析与以 $D_s^+ \to \phi(\mu\mu)\pi^+$ 为归一化参考，能在多大程度上提升LHCb对稀有 $\tau$ 衰变的探测灵敏度？
• RQ5 在升级之后，基于当前限制和基于模拟的预测，LHCb对这些稀有衰变的预期灵敏度如何？

主要发现

• LHCb首次对 $\tau^{-} \to \mu^{-}\mu^{-}\mu^{+}$ 的搜索在90%置信水平下给出上限：$\mathcal{B}(\tau^{-} \to \mu^{-}\mu^{-}\mu^{+}) < 6.3 \times 10^{-8}$。
• 首次对 $\tau^{-} \to \mu^{+}\mu^{-}\bar{p}$ 和 $\tau^{-} \to \mu^{-}\mu^{-}p$ 衰变设定了直接上限：$\mathcal{B}(\tau^{-} \to \mu^{+}\mu^{-}\bar{p}) < 3.4 \times 10^{-7}$ 和 $\mathcal{B}(\tau^{-} \to \mu^{-}\mu^{-}p) < 4.4 \times 10^{-7}$（90% CL）。
• $\tau^{-} \to \mu^{-}\mu^{-}\mu^{+}$ 的限制比目前最佳的$B$-工厂限制宽松约3倍，但预计在LHCb升级后使用完整数据集时可提升至 $\sim 8 \times 10^{-9}$。
• 该分析证明了在强子对撞机上利用多变量技术并以 $D_s^+ \to \phi(\mu\mu)\pi^+$ 为归一化参考，搜索LNV和BNV衰变在 $\tau$-轻子末态中的可行性。
• 背景建模（包括峰态贡献如 $D_s^+ \to \eta(\mu\mu\gamma)\mu^+\nu_\mu$）已通过5 fb⁻¹的模拟数据验证。
• 系统误差通过边带插值和质量分辨率修正估算，确保了基于CLs的上限计算具有鲁棒性。