[论文解读] Search for Lepton Flavor Violating tau^- Decays into l^-eta, l^-eta' and l^-pi^0

The Belle Collaboration, K. Abe|ArXiv.org|Sep 8, 2006

Particle physics theoretical and experimental studies被引用 4

一句话总结

本研究利用Belle实验获得的401 fb⁻¹数据，搜索τ轻子衰变为带电轻子与赝标量介子（η, η′, π⁰）的轻子味破坏（LFV）衰变。未观测到显著信号，90%置信水平下对分支比的上限已设定，相比先前结果改善了2.3至6.4倍，从而对标准模型之外的物理模型（特别是超对称理论中由希格斯玻色子介导的LFV）施加了更强约束。

ABSTRACT

We have searched for lepton flavor violating $τ$ decays with a pseudoscalar meson ($η$, $η'$ and $π^0$) 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: ${\cal{B}}(τ^- o e^-η) < 9.2 imes 10^{-8}$, ${\cal{B}}(τ^- o μ^-η) < 6.5 imes 10^{-8}$, ${\cal{B}}(τ^- o e^-η') < 1.6 imes 10^{-7}$, ${\cal{B}}(τ^- o μ^-η') < 1.3 imes 10^{-7}$ ${\cal{B}}(τ^- o e^-π^0) < 8.0 imes 10^{-8}$ and ${\cal{B}}(τ^- o μ^-π^0) < 1.2 imes 10^{-7}$ at the 90% confidence level, respectively. These results improve the previously published limits by factors from 2.3 to 6.4.

研究动机与目标

• 搜索标准模型中被禁止但在标准模型之外物理中可能存在的τ轻子衰变为带电轻子与赝标量介子（η, η′, π⁰）的稀有轻子味破坏衰变。
• 利用Belle实验获得的大数据样本，提高对这些LFV衰变现有实验极限的灵敏度。
• 对标准模型之外的物理模型施加约束，特别是涉及超对称理论中由希格斯玻色子介导的轻子味破坏。
• 在赝标量希格斯玻色子搜索的背景下，与CDF、DØ和LEP2等其他实验相比，提供具有竞争力的灵敏度基准。

提出的方法

• 分析使用在KEK B工厂运行于Υ(4S)共振能区时收集的401 fb⁻¹ e⁺e⁻碰撞数据。
• 通过结合不变质量（M_inv）和能量差（ΔE）变量，对τ⁻ → ℓ⁻ + 介子衰变拓扑中的信号候选事例进行重建。
• 在M_inv–ΔE平面中，通过椭圆轮廓定义信号区域，背景来自邻近区域（排除信号区域）进行估计。
• 利用蒙特卡罗模拟对信号和背景贡献进行建模，背景的归一化通过与数据对比进行调整。
• 采用无框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比的上限。
• 利用MSSM中希格斯玻色子介导LFV的理论预测，将结果解释为对m_A与tanβ参数空间的排除区域。

实验结果

研究问题

• RQ1 τ⁻ → e⁻η衰变的分支比上限是多少？与先前测量结果相比如何？
• RQ2 Belle实验是否能相比早期实验，提高对τ衰变为η′和π⁰模式的LFV衰变的探测灵敏度？
• RQ3 对τ⁻ → μ⁻η衰变的观测上限，排除了赝标量希格斯玻色子的m_A–tanβ参数空间的哪一区域？
• RQ4 本分析在探测希格斯玻色子介导LFV方面的灵敏度，与CDF、DØ和LEP2实验相比如何？
• RQ5 这些结果在最小超对称标准模型的背景下，对轻子味破坏模型的约束程度如何？

主要发现

• τ⁻ → e⁻η衰变的分支比上限在90%置信水平下为9.2 × 10⁻⁸。
• τ⁻ → μ⁻η衰变的分支比上限在90%置信水平下为6.5 × 10⁻⁸，相比先前极限提高了4.6倍。
• τ⁻ → e⁻η′衰变的分支比上限在90%置信水平下为1.6 × 10⁻⁷，相比先前极限提高了6.4倍。
• τ⁻ → μ⁻η′衰变的分支比上限在90%置信水平下为1.3 × 10⁻⁷，相比先前极限提高了3.2倍。
• τ⁻ → e⁻π⁰衰变的分支比上限在90%置信水平下为8.0 × 10⁻⁸，相比先前极限提高了2.3倍。
• 本分析在赝标量希格斯玻色子的m_A–tanβ参数平面中排除了一片区域，其灵敏度与CDF、DØ和LEP2实验相当。