[论文解读] Search for Lepton-Flavor-Violating $τ$ Decays to a Lepton and an Invisible Boson at Belle II

Belle II Collaboration, I. Adachi+399 more|arXiv (Cornell University)|Jan 1, 2022

Particle physics theoretical and experimental studies被引用 3

一句话总结

本论文利用在10.58 GeV质心系能量下采集的62.8 fb⁻¹数据，对τ衰变中出现带电轻子与一种隐形自旋0玻色子（α）的轻子味破坏过程进行了迄今为止最严格的搜索。在95%置信水平下，对α质量从0到1.6 GeV/c²的范围，给出了分支分数比B(τ⁻→e⁻α)/B(τ⁻→e⁻νₑνₜ)的上限，范围为1.1×10⁻³至9.7×10⁻³；以及B(τ⁻→μ⁻α)/B(τ⁻→μ⁻ν_μνₜ)的上限，范围为0.7×10⁻³至12.2×10⁻³。

ABSTRACT

We search for lepton-flavor-violating $τ^- o e^-α$ and $τ^- oμ^-α$ decays, where $α$ is an invisible spin-0 boson. The search uses electron-positron collisions at $10.58$ GeV center-of-mass energy with an integrated luminosity of $62.8$ fb$^{-1}$, produced by the SuperKEKB collider and collected with the Belle II detector. We search for an excess in the lepton-energy spectrum of the known $τ^- o e^-\barν_e ν_τ$ and $τ^- o μ^-\barν_μν_τ$ decays. We report 95\% confidence-level upper limits on the branching-fraction ratio ${\mathcal B}(τ^- o e^- α) / {\mathcal B}(τ^- o e^- \barν_e ν_τ)$ in the range $(1.1-9.7) imes 10^{-3}$ and on ${\mathcal B}(τ^- o μ^- α) / {\mathcal B}(τ^- o μ^- \barν_μν_τ)$ in the range $(0.7-12.2) imes 10^{-3}$ for $α$ masses between 0 and 1.6 GeV/c$^2$. These results provide the most stringent bounds on invisible boson production from $τ$ decays.

研究动机与目标

• 搜索τ衰变中产生带电轻子与隐形自旋0玻色子（α）的轻子味破坏过程，该过程在多种新物理理论中被预测。
• 检验扩展标准模型的理论模型，包括涉及轴子样粒子和暗物质候选者的模型。
• 提高对τ衰变中隐形玻色子产生的灵敏度，超越以往实验的限制。
• 通过高精度测量稀有τ衰变，约束新物理模型的参数空间。

提出的方法

• 本分析使用Belle II探测器在SuperKEKB对撞机上采集的62.8 fb⁻¹ e⁺e⁻对撞数据，对心系能量为√s = 10.58 GeV的事件进行分析。
• 通过识别τ⁻→e⁻νₑνₜ和τ⁻→μ⁻ν_μνₜ衰变的末态粒子，利用缺失能量和动量推断隐形粒子α的存在。
• 应用运动学重建与事件选择方法，抑制标准模型背景，重点聚焦于轻子能量谱。
• 采用基于似然的方法，在轻子能量谱中提取类似信号的超额事件，假设其来源于τ⁻→ℓ⁻α衰变。
• 使用轮廓似然法设定分支分数比的上限，并考虑系统误差的影响。
• 分析假设α为自旋0玻色子，其质量在0至1.6 GeV/c²之间，并同时考虑e⁻和μ⁻末态。

实验结果

研究问题

• RQ1 对于质量在0至1.6 GeV/c²之间的隐形玻色子，B(τ⁻→e⁻α)/B(τ⁻→e⁻νₑνₜ)的分支分数比上限是多少？
• RQ2 在相同质量范围内，B(τ⁻→μ⁻α)/B(τ⁻→μ⁻ν_μνₜ)的上限是多少？
• RQ3 这些结果如何约束涉及隐形自旋0玻色子的轻子味破坏耦合的理论模型？
• RQ4 与以往实验相比，Belle II实验在探测τ衰变中隐形玻色子产生方面的灵敏度如何？
• RQ5 这些结果与轴子样粒子和暗物质媒介子的理论预测相比如何？

主要发现

• 在95%置信水平下，B(τ⁻→e⁻α)/B(τ⁻→e⁻νₑνₜ)的上限在α质量为0至1.6 GeV/c²的范围内，从1.1×10⁻³变化至9.7×10⁻³。
• 在95%置信水平下，B(τ⁻→μ⁻α)/B(τ⁻→μ⁻ν_μνₜ)的上限在相同α质量范围内，从0.7×10⁻³变化至12.2×10⁻³。
• 这些结果是迄今为止对τ衰变中隐形玻色子产生最严格的实验限制。
• 与以往搜索相比，这些限制在低质量区域显著更严格。
• 该分析展示了Belle II对涉及隐形粒子的轻子味破坏过程的高灵敏度。
• 结果约束了广泛的新物理模型，包括轴子样粒子和暗物质媒介子相关的模型。