[论文解读] $ au^- o\pi^-\gamma u_ au$ as a source of background on the Lepton Flavour Violating decay $ au^- o\mu^-\gamma$

Zhi-Hui Guo, Pablo Roig|arXiv (Cornell University)|Oct 14, 2010

Particle physics theoretical and experimental studies参考文献 37被引用 1

一句话总结

本文使用共振态有效理论（RχT）计算了 τ⁻ → π⁻γντ 的辐射衰变，结合QCD约束预测形式因子，无需自由参数。研究发现，在高光子能量区域，结构依赖（SD）贡献占主导地位——这正是其与轻子味破坏衰变 τ⁻ → μ⁻γ 表现相似的区域——导致 PHOTOS 对背景的低估达约5倍，可能影响当前分支比限值的准确性。

ABSTRACT

We calculate the decay of $ au^- o\pi^-\gamma u_ au$ in the framework of Resonance Chiral Theory ($R\chi T$). By demanding the high energy constraints from QCD on the related form factors, we could predict the various physical observables of $ au^- o\pi^-\gamma u_ au$ without any free parameter. Our results show that for a realistic cut on the photon energy (around $100$ MeV) this mode gives a branching ratio of roughly $0.1%$ that should have already been detected at the heavy-flavour factories. Another interesting subject we have studied based on our calculation of the decay $ au^- o\pi^-\gamma u_ au$ is the experimental background estimation of the lepton flavour violation process $ au^- o \mu^- \gamma$. We point out that although the description of radiation that PHOTOS provides -which has been used by BaBar and Belle collaborations to estimate this source of background- is in excellent agreement with the theoretical expectations in the low energy region in $ au^- o\pi^-\gamma u_ au$ decay, this is not the case in the high energy region, precisely where it is easier that this decay mimics the process $ au^- o\mu^-\gamma$.

研究动机与目标

• 使用共振态有效理论（RχT）与QCD约束计算 τ⁻ → π⁻γντ 衰变振幅。
• 评估结构依赖（SD）形式因子对光子能量谱的影响。
• 评估 PHOTOS 在 τ⁻ → μ⁻γ 搜索中对 τ⁻ → π⁻γντ 背景估计的可靠性。
• 量化 PHOTOS 模拟与理论预测在高能光子区域的差异。

提出的方法

• 使用共振态有效理论（RχT）建模 τ⁻ → π⁻γντ 中强相互作用效应，结合形式因子的QCD约束。
• 通过矢量（V）和轴矢量（A）形式因子推导矩阵元，包含内轫致辐射（IB）和结构依赖（SD）贡献。
• 计算微分衰变宽度 dΓ/dx，作为 x = 2pτ·k/Mτ² 的函数，其中 x 接近 1 对应高光子能量。
• 将理论预测与 PHOTOS 和 MC-TESTER 模拟进行比较，重点关注高能端区域。
• 执行缺失质量重建分析，分离出 π 与 γ 重建 τ 质量在 9 MeV 以内的事件。
• 通过比较 PHOTOS（仅IB）与完整理论预测（IB + SD）在光子谱最后六个区间的差异，估算背景低估程度。

实验结果

研究问题

• RQ1 在端点附近，结构依赖（SD）贡献如何影响 τ⁻ → π⁻γντ 的光子能量谱？
• RQ2 PHOTOS 事件生成器在 τ⁻ → μ⁻γ 搜索中对 τ⁻ → π⁻γντ 背景的低估程度如何？
• RQ3 在与 τ → μ⁻γ 相关的高能光子区域，PHOTOS 与理论预测之间的定量差异是什么？
• RQ4 在实际实验截断条件下，SD 形式因子的引入如何改变 τ⁻ → π⁻γντ 的分支比估计？
• RQ5 τ⁻ → π⁻γντ 衰变能否作为未来轻子味破坏搜索中可靠的背景估计工具？

主要发现

• 预测 τ⁻ → π⁻γντ 在光子能量高于 100 MeV 时的分支比约为 0.1%，该过程在 B 介子工厂中本应可探测到。
• 在高能区域（x ≈ 1），结构依赖（SD）贡献主导光子谱，与内轫致辐射（IB）在低能区占主导相反。
• 在高能区域，PHOTOS 对 τ⁻ → π⁻γντ 背景的低估程度约为 5 倍，该区域与 τ⁻ → μ⁻γ 的行为最为相似。
• SD 贡献对总宽度影响较小（Γ_all / Γ_IB ≈ 1.1），但显著改变了端点区域的谱形。
• 差异的根源在于 PHOTOS 仅建模基于QED的IB贡献，忽略了在端点附近至关重要的SD效应。
• 作者建议将基于新 RχT 的强子流更新至 PHOTOS 和 TAUOLA，以提高背景估计的准确性。