[论文解读] A Search for Leptoquark Bosons and Lepton Flavor Violation in Positron-Proton Collisions at HERA

C. Adloff|arXiv (Cornell University)|Jul 2, 1999

Particle physics theoretical and experimental studies被引用 27

一句话总结

本论文利用1994–1997年期间采集的37 pb⁻¹数据，研究了在HERA正电子-质子碰撞中第一代轻子偶素（LQs）及轻子味破坏（LFV）现象。研究对LQ的Yukawa耦合设定了新约束，排除了在λ = 0.3时标量LQ质量高达275 GeV的情况，同时在10%分支比进入e⁺u通道时，排除了LQ质量高达260 GeV的情况，且在μ⁺X或τ⁺X末态中未发现LFV的证据。

ABSTRACT

A search for new bosons possessing couplings to lepton-quark pairs is performed in the H1 experiment at HERA using 1994 to 1997 data corresponding to an integrated luminosity of 37pb^-1. First generation leptoquarks (LQs) are searched in very high Q^2 neutral (NC) and charged (CC) current data samples. The measurements are compared to Standard Model (SM) expectations from deep-inelastic scattering (DIS). A deviation in the Q^2 spectrum previously observed in the 1994 to 1996 dataset at Q^2 \gsim 15000GeV^2 remains, though with less significance. This deviation corresponded to a clustering in the invariant mass spectrum at M \simeq 200 GeV which is not observed with the 1997 dataset alone. The NC DIS data is used to constrain the Yukawa couplings lambda of first generation scalar and vector LQs in the Buchmueller-Rueckl-Wyler effective model. Scalar LQs are excluded for masses up to 275GeV for a coupling of electromagnetic strength, lambda=0.3. A sensitivity to coupling values \lsim 1 is established for masses up to 400GeV for any LQ type. The NC and CC DIS data are combined to constrain lambda for arbitrary branching ratios of the LQ into eq in a generic model. For a decay branching ratio into e^+ u pairs as small as 10%, LQ masses up to 260 GeV are ruled out for lambda=0.3. LQs possessing couplings to mixed fermion generations, which could lead to signals of lepton flavor violation (LFV), are searched in events with a high transverse momentum mu or tau. No mu+X or tau+X event candidate is found that is compatible with LQ kinematics. Constraints are set on the Yukawa coupling involving the mu and tau lepton in a yet unexplored mass range.

研究动机与目标

• 利用1994至1997年的数据，研究HERA中高Q²深度非弹性散射（DIS）事例内的第一代轻子偶素（LQs）。
• 调查早期HERA数据中先前观测到的Q²谱偏离现象，特别是当Q² ≳ 15,000 GeV²时的情况。
• 利用中性流与带电流DIS数据，基于Buchmueller-Rueckl-Wyler有效场论模型，对标量与矢量LQ的Yukawa耦合（λ）施加约束。
• 通过LQ衰变为μ或τ末态探测轻子味破坏（LFV），探索此前未覆盖的质量范围。
• 结合中性流（NC）与带电流（CC）DIS数据，对LQ耦合在任意e⁺u对分支比下的情况设定限制。

提出的方法

• 分析了HERA上H1实验的37 pb⁻¹积分亮度数据，重点关注高Q²的中性流与带电流DIS事例。
• 利用不变质量谱与Q²分布，搜索可能指示轻子偶素产生的共振结构。
• 采用Buchmueller-Rueckl-Wyler有效场论模型，描述标量与矢量LQ与夸克-轻子对的耦合行为。
• 结合中性流（NC）与带电流（CC）DIS数据，提升对不同分支比下LQ耦合的探测灵敏度。
• 执行运动学重建与事件选择，识别LQ衰变为e⁺u、μ⁺X或τ⁺X末态的信号特征。
• 通过统计假设检验方法，基于信号与标准模型背景的预期，设定Yukawa耦合λ的上限。

实验结果

研究问题

• RQ1 在1994–1997年完整数据集下，先前在Q² ≳ 15,000 GeV²处观测到的Q²谱偏离现象是否依然显著？
• RQ2 在Buchmueller-Rueckl-Wyler模型中，第一代标量与矢量轻子偶素的Yukawa耦合（λ）受到何种约束？
• RQ3 能否通过μ⁺X或τ⁺X末态中的轻子味破坏探测到与混合费米子世代耦合的轻子偶素？
• RQ4 对e⁺u对分支比低至10%的情况，LQ耦合的探测灵敏度如何？
• RQ5 在Yukawa耦合值λ ≤ 1的条件下，特别是涉及LFV时，排除了多大质量范围的轻子偶素？

主要发现

• 在1994–1996年数据中曾观测到的Q² ≳ 15,000 GeV²处的Q²谱偏离现象（在M ≈ 200 GeV附近出现簇集）在1997年单独数据中已不再显著。
• 在Buchmueller-Rueckl-Wyler模型中，Yukawa耦合λ = 0.3时，标量轻子偶素的质量上限被排除至275 GeV。
• 对LQ质量高达400 GeV的情况，无论LQ类型如何，均建立了对Yukawa耦合λ ≤ 1的探测灵敏度。
• 当e⁺u对分支比低至10%时，在λ = 0.3条件下，质量高达260 GeV的轻子偶素被排除。
• 未观测到与轻子偶素衰变为μ⁺X或τ⁺X末态相容的事件，从而对涉及μ子与τ子的Yukawa耦合设定了新约束。
• 本研究在先前未探索的质量范围内，对轻子偶素耦合中的轻子味破坏设定了限制。