[论文解读] Search for lepton flavor violating decays τ−→ ℓ−π0,ℓ−η,ℓ−η′

Y. Enari, N. Sato+152 more|arXiv (Cornell University)|Sep 1, 2005

Particle physics theoretical and experimental studies参考文献 32被引用 19

一句话总结

本研究利用KEKB对撞机上Belle实验获得的153.8 fb⁻¹数据，搜索τ轻子衰变为较轻的带电轻子与轻量赝标量介子（π⁰、η、η′）的轻子 flavor 不守恒衰变。该分析在90%置信水平下设定了新的、更严格的上限，相比以往结果改善了10至64倍，其中最严格的限制为B(τ⁻ → μ⁻η) < 1.5×10⁻⁷。

ABSTRACT

We have searched for lepton flavor violating semileptonic τ- decays using a data sample of 153.8 fb-1 accumulated with the Belle detector at the KEKB e+e- collider. For the six decay modes studied, the observed yield is compatible with the estimated background and the following upper limits are set at the 90% confidence level: B(τ-→e-η)&lt;2.3×10-7, B(τ-→μ-η)&lt;1.5×10-7, B(τ-→e-π0)&lt;1.9×10-7, B(τ-→μ-π0)&lt;4.1×10-7, B(τ-→e-η′) &lt;10×10-7, and B(τ-→μ-η′)&lt;4.7×10-7. These results are 10 to 64 times more restrictive than previous limits. © 2005 Elsevier B.V. All rights reserved.

研究动机与目标

• 搜索标准模型中被禁止但在某些扩展理论中被预测的τ轻子的轻子味破坏（LFV）半轻衰变。
• 通过违反轻子味对称性的稀有衰变，检验标准模型的有效性，并探测其之外的新物理。
• 利用大样本、高精度的数据，提高对LFV τ衰变现有实验限的灵敏度。
• 约束预测此类稀有衰变的超出标准模型的理论模型，例如涉及味改变中性流或重的惰性中微子的模型。

提出的方法

• 利用Belle探测器在KEKB非对称能量对撞机上收集的153.8 fb⁻¹ e⁺e⁻碰撞数据。
• 对六种特定的LFV衰变模式进行模型无关的搜索：τ⁻ → ℓ⁻π⁰、ℓ⁻η、ℓ⁻η′（ℓ = e, μ）。
• 采用运动学重建与粒子识别技术，从背景事件中分离出信号候选事例。
• 使用无箱最大似然拟合方法提取信号产额，并在90%置信水平下设定分支分数的上限。
• 通过控制样本和蒙特卡罗模拟校准背景估计，确保系统不确定性的稳健控制。
• 应用为最大化信号灵敏度而优化的选择标准，同时最小化来自主要背景（如τ⁻ → ℓ⁻νν̄ 和 τ⁻ → ℓ⁻νπ⁰）的贡献。

实验结果

研究问题

• RQ1 轻子味破坏的τ⁻ → ℓ⁻π⁰、ℓ⁻η 和 ℓ⁻η′衰变的分支分数上限是多少？
• RQ2 新实验限相比以往测量在灵敏度上提升了多少？
• RQ3 在所研究的六个LFV衰变模式中，是否有任何模式观测到显著高于背景的信号过剩？
• RQ4 研究结果在多大程度上约束了预测LFV衰变的超出标准模型的理论模型？

主要发现

• 在六个轻子味破坏衰变模式中均未观测到显著信号，与仅含背景的预期一致。
• τ⁻ → e⁻η衰变的分支分数上限为B(τ⁻ → e⁻η) < 2.3×10⁻⁷（90%置信水平）。
• 最严格的限制针对τ⁻ → μ⁻η衰变，其分支分数上限为B(τ⁻ → μ⁻η) < 1.5×10⁻⁷（90%置信水平）。
• τ⁻ → e⁻π⁰衰变的分支分数上限为B(τ⁻ → e⁻π⁰) < 1.9×10⁻⁷（90%置信水平）。
• τ⁻ → μ⁻π⁰衰变的分支分数上限为B(τ⁻ → μ⁻π⁰) < 4.1×10⁻⁷（90%置信水平）。
• τ⁻ → e⁻η′衰变的分支分数上限为B(τ⁻ → e⁻η′) < 10×10⁻⁷（90%置信水平），而τ⁻ → μ⁻η′衰变的上限为B(τ⁻ → μ⁻η′) < 4.7×10⁻⁷（90%置信水平）。