[论文解读] Lepton Universality, |V_{us}| and search for second class current in tau decays

S. Banerjee|arXiv (Cornell University)|Nov 10, 2008

Particle physics theoretical and experimental studies参考文献 22被引用 6

一句话总结

本文基于BaBar实验的高精度τ轻子分支比测量，检验轻子味 universality，并通过包括和非包括衰变确定|V_{us}|。其将τ→π⁻ων_τ衰变中第二类电流贡献的上限提高了一个数量级，未发现此类贡献的证据，以高精度验证了标准模型的预测。

ABSTRACT

Several hundred million tau decays have been studied with the BaBar detector at the PEP-II e+e- collider at the SLAC National Accelerator Laboratory. Recent results on Charged Current Lepton Universality and two independent measurements of |V_{us}| using tau- -> e- nubar nu, mu- nubar nu, pi- nu, K- nu and KS0 pi- nu decays, and a search for Second Class Current in tau- -> pi- omega nu decays are presented, where the charge conjugate decay modes are also implied.

研究动机与目标

• 通过测量涉及e⁻、μ⁻、π⁻和K⁻末态的分支比比值，高精度检验τ衰变中的带电流轻子味 universality。
• 采用两种独立方法确定|V_{us}|：利用算子乘积展开（OPE）和有限能量和规则（FESR）的包含式τ衰变，以及利用τ→K⁻ν_τ/τ→π⁻ν_τ分支比的非包含式衰变。
• 在τ→π⁻ων_τ衰变中搜索第二类电流贡献，此类贡献将标志标准模型之外的新物理。
• 在CKM幺正性检验的背景下，提高关键分支比的精度并减小系统误差。
• 通过设定轻子味 universality 和第二类电流贡献偏离的严格限制，约束新物理模型。

提出的方法

• 利用在B工厂PEP-II上收集的347 fb⁻¹ e⁺e⁻湮灭数据，测量τ⁻→e⁻ν̄_eν_τ、μ⁻ν̄_μν_τ、π⁻ν_τ、K⁻ν_τ、K⁰_Sπ⁻ν_τ和K⁻π⁰ν_τ的分支比。
• 通过关系式|V_{us}|² ∝ B(τ→K⁻ν_τ)/B(τ→π⁻ν_τ)利用分支比比值提取|V_{us}|，并校正相空间和长程效应的影响。
• 应用有限能量和规则（FESR）与算子乘积展开（OPE）方法，从包含式强子τ衰变中提取|V_{us}|，利用谱密度函数和非谱权重以改善收敛性。
• 对ω静止参考系中π⁻的角分布F(cosθ_πω)进行建模，以分离τ→π⁻ων_τ衰变中的第一类电流（FCC）与第二类电流（SCC）贡献。
• 对cosθ_πω分布进行分箱拟合，使用F(θ) = N[(1−ε)F_{LJ=11}^{FCC} + εF_{LJ=01}^{SCC}]，其中ε量化SCC贡献的分数。
• 通过拟合数据并采用SCC贡献的保守函数形式，设定SCC分数的贝叶斯90%置信水平上限。

实验结果

研究问题

• RQ1 在τ衰变中，带电流相互作用下的轻子味 universality 是否以高精度得到验证，特别是针对μ⁻和e⁻末态？
• RQ2 从非包含式τ衰变中提取的|V_{us}|值是多少？其与CKM矩阵幺正性预测的比较结果如何？
• RQ3 在τ→π⁻ων_τ衰变中能否观测到第二类电流贡献？其相对于第一类电流过程的分数上限是多少？
• RQ4 测量的τ→K⁻ν_τ与τ→π⁻ν_τ分支比与轻子味 universality 预测相比如何？这对|V_{us}|有何含义？
• RQ5 长程QCD效应与谱密度函数在从包含式τ衰变中提取|V_{us}|时的影响程度如何？

主要发现

• 分支比比值B(τ⁻→μ⁻ν̄_μν_τ)/B(τ⁻→e⁻ν̄_eν_τ) = 0.9796 ± 0.0016（统计）± 0.0035（系统），在0.36%水平下与轻子味 universality 一致。
• 分支比比值B(τ⁻→K⁻ν_τ)/B(τ⁻→π⁻ν_τ) = 0.06531 ± 0.00056（统计）± 0.00093（系统），得出|V_{us}| = 0.2254 ± 0.0023，与幺正性一致。
• τ→π⁻ων_τ衰变中第二类电流贡献的上限为90%置信水平下0.69%，相比之前5.4%的极限提高了整整一个数量级。
• 测量的B(τ⁻→K⁻ν_τ) = 0.690 ± 0.010%与μ-τ味 universality 下K_μ2衰变的预测值一致，支持标准模型。
• 包含式|V_{us}|通过OPE与FESR方法测得约为低于幺正性预测3σ，提示可能存在张力，需进一步研究。
• 世界平均值B(τ⁻→K⁻π⁰ν_τ) = 0.426 ± 0.016%，B(τ⁻→K̄⁰π⁻ν_τ) = 0.835 ± 0.022%（比例因子S=1.4），表明相比以往测量精度有所提升。