[论文解读] Search for Lepton Flavor Violation in Upsilon Decays

CLEO Collaboration, W. A. Love|arXiv (Cornell University)|Jul 17, 2008

Particle physics theoretical and experimental studies参考文献 17被引用 36

一句话总结

本论文研究了底夸克偶素衰变中轻子味破坏（LFV）的迹象，具体为 Υ(nS) → μτ 衰变，使用了CLEO III探测器收集的2080万条Υ(1S)、930万条Υ(2S)和590万条Υ(3S)事件。通过识别τ轻子的电子衰变道（eνν），并采用来自控制样本的PDF进行多维似然拟合，该研究设定了95%置信水平（CL）的LFV分支比上限，当有效耦合αN = 1时，得到新物理尺度Λ的95% CL下限为1.34 TeV。

ABSTRACT

In this Letter we describe a search for lepton flavor violation (LFV) in the bottomonium system. We search for leptonic decays of Upsilon(nS)(n=1,2, and 3) into muon and tau using the data collected with the CLEO III detector. We identify the tau lepton using its leptonic decay into electron and utilize multidimensional likelihood fitting with PDF shapes measured from independent data samples. We report our estimates of 95% CL upper limits on LFV branching fractions of Upsilon mesons. We interpret our results in terms of the exclusion plot for the energy scale of a hypothetical new interaction versus its effective LFV coupling in the framework of effective field theory.

研究动机与目标

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• 探究底夸克偶素衰变Υ(nS) → μτ中是否存在轻子味破坏（LFV），这类过程在标准模型中被禁止，但被多种新物理理论所预测。
• 利用CLEO III实验的数据，对Υ(nS) → μτ衰变的分支比设定严格的95%置信水平（CL）上限。
• 在有效场论框架下解释结果，将观测到的LFV与新物理的能量尺度Λ及其有效耦合αN联系起来。
• 绘制Λ与αN的排除图，为R-奇偶性破坏的SUSY、轻子偶素以及大统一理论等新物理模型提供约束。

提出的方法

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• 分析使用了在CESR上运行的CLEO III探测器的数据，Υ(1S)、Υ(2S)和Υ(3S)共振态的积分亮度分别为1.1、1.3和1.4 fb⁻¹。
• 信号事件通过高品位的μ子候选（穿透五个强子相互作用长度）和来自τ → ντνee衰变的电子候选来识别，要求0.87 ≤ pμ/Ebeam ≤ 1.02 且 0.10 ≤ pe/Ebeam ≤ 0.85。
• 轻子识别依赖于dE/dx测量、能量-动量一致性（E/p）以及基于切伦科夫效应的粒子识别，并应用了效率与接受度修正。
• 采用多维似然拟合方法，利用来自独立Υ(4S)和连续态数据样本的PDF形状来建模信号与背景分布。
• 在有效场论框架下，通过关系式：Γ(Υ→μτ)/Γ(Υ→μμ) = (1/2e²b)(αN/α)²(M(Υ)/Λ)⁴，将观测到的LFV分支比与尺度Λ及耦合αN联系起来。
• 利用所有三个Υ态的联合似然函数，推导出在假设αN = 1时Λ的95% CL下限。

实验结果

研究问题

• RQ1 .
• RQ2 各种新物理模型预测的Υ(nS) → μτ衰变的分支比在95% CL下的上限是多少？
• RQ3 在有效耦合αN = 1的假设下，能够介导底夸克偶素衰变中LFV的新物理能量尺度Λ的下限是多少？
• RQ4 与之前对B介子和J/ψ衰变中LFV的搜索相比，本研究结果如何？这些结果对新物理耦合性质有何启示？
• RQ5 新物理对底夸克偶素衰变中LFV的贡献在Λ–αN平面上的排除区域是什么？

主要发现

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• Υ(1S) → μτ衰变的95% CL分支比上限为6.0 × 10⁻⁶。
• Υ(2S) → μτ的95% CL上限为14.4 × 10⁻⁶，Υ(3S) → μτ的95% CL上限为20.3 × 10⁻⁶。
• 综合分析在假设αN = 1时，得到新物理尺度Λ的95% CL下限为1.34 TeV。
• 排除图显示，当αN = 1时，Λ > 1.34 TeV在95% CL下被排除；由于三者亮度和背景水平相近，将三者联合后仅带来1%的性能提升。
• 结果与底夸克偶素体系中不存在LFV的假设一致，并为有效场论中(¯μΓμτ)(¯bγμb)四费米子算符的Λ尺度提供了迄今为止最严格的约束。
• 由于算符结构不同，这些限制弱于来自B介子衰变的限制，但探测了涉及底夸克与重轻子的新物理类型，具有独特性。