[论文解读] Search for lepton flavor violating τ- decays into ℓ- η, ℓ- η′ and ℓ- π0

Y. Miyazaki, I. Adachi+130 more|arXiv (Cornell University)|May 17, 2007

Particle physics theoretical and experimental studies参考文献 33被引用 38

一句话总结

本研究利用KEKB对撞机上Belle实验获得的401 fb⁻¹数据，搜索τ⁻衰变中轻子味违反的模式，即衰变为一个带电轻子和一个赝标量介子（η、η′、π⁰）。未观测到信号，且在90%置信水平下设定了新的分支比上限，相比先前结果改善了2.3至6.3倍。

ABSTRACT

We have searched for lepton-flavor-violating τ decays with a pseudoscalar meson (η, η′ and π0) using a data sample of 401 fb-1 collected with the Belle detector at the KEKB asymmetric-energy e+ e- collider. No evidence for these decays is found and we set the following upper limits on the branching fractions: B (τ- → e- η) < 9.2 × 10-8, B (τ- → μ- η) < 6.5 × 10-8, B (τ- → e- η′) < 1.6 × 10-7, B (τ- → μ- η′) < 1.3 × 10-7, B (τ- → e- π0) < 8.0 × 10-8 and B (τ- → μ- π0) < 1.2 × 10-7 at the 90% confidence level. These results improve our previously published upper limits by factors from 2.3 to 6.3. © 2007 Elsevier B.V. All rights reserved.

研究动机与目标

• 搜索τ轻子衰变为带电轻子和赝标量介子（η、η′、π⁰）的轻子味违反过程。
• 提高对违反轻子味 universality 的稀有τ衰变的探测灵敏度。
• 为τ⁻ → ℓ⁻P衰变（P = η、η′、π⁰），其中ℓ = e、μ，设定更严格的分支比上限。
• 检验标准模型扩展理论中预测的此类稀有衰变，例如具有味改变中性流或重的惰性中微子的模型。
• 通过精确测量稀有τ衰变，增强对标准模型之外新物理的实验约束。

提出的方法

• 利用在KEKB非对称能量e⁺e⁻对撞机上由Belle探测器收集的401 fb⁻¹数据样本。
• 采用模型无关的方法，通过运动学重建和粒子识别技术，搜索τ⁻ → ℓ⁻P衰变（P = η、η′、π⁰）。
• 基于末态粒子的不变质量重建，应用选择标准以分离信号样事例。
• 利用控制区域和蒙特卡罗模拟，对组合背景和连续统背景进行背景估计。
• 使用模拟事例校准信号和背景效率，并通过控制样本进行验证。
• 采用频率学方法，在90%置信水平下计算分支比上限，包含系统不确定性。

实验结果

研究问题

• RQ1 τ⁻ → e⁻η、τ⁻ → μ⁻η、τ⁻ → e⁻η′、τ⁻ → μ⁻η′、τ⁻ → e⁻π⁰和τ⁻ → μ⁻π⁰衰变的分支比上限是多少？
• RQ2 这些新上限与先前实验结果相比，在灵敏度上提升了多少？
• RQ3 这些结果对预测标准模型之外轻子味违反的理论模型有何影响？
• RQ4 这些衰变中未观测到信号，是否可用于约束特定的新物理场景？
• RQ5 在信号区域中，观测数据与预期背景相比具有何种显著性？

主要发现

• 在六种轻子味违反的τ⁻衰变模式（进入赝标量介子）中均未观测到显著信号。
• 在90%置信水平下，B(τ⁻ → e⁻η)的上限被设定为9.2 × 10⁻⁸。
• 在90%置信水平下，B(τ⁻ → μ⁻η)的上限被设定为6.5 × 10⁻⁸。
• 在90%置信水平下，B(τ⁻ → e⁻η′)的上限被设定为1.6 × 10⁻⁷。
• 在90%置信水平下，B(τ⁻ → μ⁻η′)的上限被设定为1.3 × 10⁻⁷。
• 这些上限相比先前结果改善了2.3至6.3倍，表明灵敏度显著提升。