[论文解读] Measurement of the branching fractions and mass spectra for $τ$ lepton decays including $K_{S}^{0}$ at Belle

S. Ryu|arXiv (Cornell University)|Feb 19, 2013

Particle physics theoretical and experimental studies参考文献 11被引用 6

一句话总结

本研究基于Belle实验采集的669 fb⁻¹数据，对包含$K^0_S$的τ轻子衰变过程进行了分支比和质量谱的精确测量。在$K^0_S K^0_S \to \tau^- \to \bar{\nu}_\tau$衰变模式中，观测到一个位于1278 ± 4 MeV/c²处的共振态，与$f_1(1285)$一致；并采用SVD去卷积方法提取了$\pi^-K^0_S\pi^0$和$K^-K^0_S\pi^0$模式的修正后质量谱。

ABSTRACT

We report a study of $τ$ lepton decays involving $\Ks$ with a 669 fb$^{-1}$ data sample accumulated with the Belle detector at the KEKB asymmetric-energy $e^{+}e^{-}$ collider. The branching fractions have been measured for the $ auTO \piKs ν_τ$, $\KKs ν_τ$, $\piKspizero ν_τ$, $\KKspizero ν_τ$, $\piKsKs ν_τ$ and $\piKsKspizero ν_τ$ decays. We also provide the unfolded mass spectra for $ auTO \piKspizero ν_τ$ and $ auTO \KKspizero ν_τ$.

研究动机与目标

• 利用大规模$\tau^+\tau^-$事例样本，测量涉及$K^0_S$的Cabibbo抑制及多初态τ衰变的分支比。
• 测定强子末态的不变质量谱，以研究强子弱电流及共振态结构。
• 应用SVD去卷积方法，校正质量谱中的探测器分辨率与效率畸变。
• 识别并表征共振态贡献，特别是$K^0_S K^0_S \pi^0$系统中$f_1(1285)$的贡献。
• 为未来全局拟合提供包含系统相关性的完整不确定性协方差矩阵。

提出的方法

• 利用KEKB对撞机在$\Upsilon(4S)$共振能区采集的616 × 10⁶ $\tau^+\tau^-$事例，基于Belle探测器数据。
• 采用轻子标记与强子标记事件进行信号选择，通过$K^0_S \to \pi^+\pi^-$顶点拟合完成重建。
• 在信号侧利用似然变量进行粒子识别（PID），以区分带电π介子与K介子。
• 通过归一化至已知分支比的$e$-$\mu$事例，利用公式$\mathcal{B}(\tau^- \to X^- \nu_\tau) = \frac{N^{\rm Sig}_{X\textrm{-}l}}{N_{e\textrm{-}\mu}} \frac{\mathcal{B}_e \mathcal{B}_\mu}{\mathcal{B}_e + \mathcal{B}_\mu}$计算分支比。
• 采用Breit-Wigner信号概率密度函数与二阶多项式背景模型，从$K^0_S K^0_S \pi^0$质量谱中提取共振态参数。
• 应用奇异值分解（SVD）去卷积方法，校正探测器分辨率、效率及$\pi^-K^0_S\pi^0$与$K^-K^0_S\pi^0$模式间的交叉馈电效应。

实验结果

研究问题

• RQ1 τ⁻衰变中涉及$K^0_S$且末态粒子数不超过四个的分支比是多少？
• RQ2 $\tau^- \to \pi^- K^0_S K^0_S \pi^0 \nu_\tau$衰变中，$K^0_S K^0_S \pi^0$不变质量谱中出现哪些共振结构？
• RQ3 探测器分辨率与效率如何扭曲$\tau^- \to \pi^- K^0_S \pi^0 \nu_\tau$与$\tau^- \to K^- K^0_S \pi^0 \nu_\tau$衰变中的观测质量谱？
• RQ4 $f_1(1285)$共振态对$\pi^- K^0_S K^0_S \pi^0 \nu_\tau$衰变模式的贡献如何？
• RQ5 如何校正探测器效应及相似衰变模式间的交叉馈电，以提取真实的质量谱？

主要发现

• 测量得到$\tau^- \to \pi^- K^0_S \nu_\tau$的分支比为$(1.16 \pm 0.02) \times 10^{-2}$，与先前测量结果一致。
• 测量得到$\tau^- \to K^- K^0_S \nu_\tau$的分支比为$(1.00 \pm 0.02) \times 10^{-2}$，得益于大样本数据，精度得到提升。
• 在$K^0_S K^0_S \pi^0$质量谱中观测到一个清晰的共振峰，位于$1278 \pm 4$ MeV/c²，宽度为$35 \pm 9$ MeV/c²，与$f_1(1285)$共振态一致。
• 测量得到$\tau^- \to f_1(1285) \pi^- \nu_\tau \to \pi^- K^0_S K^0_S \pi^0 \nu_\tau$的分支比为$(1.05 \pm 0.24) \times 10^{-5}$，表明其对衰变模式有显著贡献。
• SVD去卷积技术成功重建了$\pi^- K^0_S \pi^0 \nu_\tau$与$K^- K^0_S \pi^0 \nu_\tau$的真实质量谱，在$\pi^- K^0_S \pi^0$模式中揭示出$K_1(1280)$的共振态结构。
• 本研究为所有测量的分支比提供了完整的不确定性协方差矩阵，包含系统相关性。