[论文解读] Selected topics in tau physics from BaBar

S. Paramesvaran|arXiv (Cornell University)|Oct 15, 2009

Particle physics theoretical and experimental studies被引用 3

一句话总结

本文利用 BaBar 实验的 423 fb$^{-1}$ 数据，通过胶子衰变 $\tau^\pm \to \pi^+\pi^-\pi^\pm \nu_\tau$，采用伪质量端点法，对 tau 轻子质量及 $\tau^+\tau^-$ 质量差进行了高精度测量，用于测试 CPT 不变性。此外，还报告了来自 $\tau^- \to K^0_S\pi^-\nu_\tau$ 和 $\tau^- \to K^0_S\pi^-\pi^0\nu_\tau$ 衰变的 $K^*(892)^{-}$ 共振态参数的改进测量结果，其精度相比以往 Belle 实验结果提高了两倍。

ABSTRACT

Selected results from tau analyses performed using the BaBar detector at the SLAC National Accelerator Laboratory are presented. A precise measurement of the tau mass and the tau{+} tau{-} mass difference is undertaken using the hadronic decay mode tau- --> pi+ pi- pi- nu. In addition an investigation into the strange decay modes tau- --> K0S pi- pi0 nu and tau- --> K0S pi- nu is also presented, including a fit to the tau- --> K0S pi-nu invariant mass spectrum. Precise values for the Mass and Width of the K*(892) are obtained.

研究动机与目标

• 通过高精度测量 $\tau^+\tau^-$ 质量差来检验 CPT 不变性。
• 利用衰变 $\tau^\pm \to \pi^+\pi^-\pi^\pm \nu_\tau$ 中的伪质量端点法确定 tau 轻子质量。
• 测量奇异强子衰变 $\tau$ 的分支比与不变质量谱，特别是 $\tau^- \to K^0_S\pi^-\nu_\tau$ 和 $\tau^- \to K^0_S\pi^-\pi^0\nu_\tau$。
• 从 $\tau^- \to K^0_S\pi^-\nu_\tau$ 的不变质量谱中提取 $K^*(892)^{-}$ 共振态的质量与宽度的精确值。
• 通过整合 $\tau^- \to K^0_S\pi^-\pi^0\nu_\tau$ 中测得的强子质量分布，改进 $\tau$ 衰变的蒙特卡洛建模。

提出的方法

• 采用伪质量端点法通过定义 $M_p = \sqrt{M_h^2 + 2(\sqrt{s}/2 - E_h^*)(E_h^* - P_h^*)}$ 重建 $\tau$ 质量，假设 $\theta^* = 0$，其中 $M_h$、$E_h^*$ 和 $P_h^*$ 分别为在 $e^+e^-$ 质心系中强子系统的质量、能量与动量。
• 利用经验函数 $F(x) = (p_3 + p_4x)\tan^{-1}\left(\frac{p_1 - x}{p_2}\right) + p_5 + p_6x$ 拟合伪质量分布的端点，其中 $p_1$ 被识别为端点，并通过蒙特卡洛模拟与 $M_\tau$ 关联。
• 对于 $\tau^- \to K^0_S\pi^-\nu_\tau$，采用包含 $K^*(892)^{-}$、$K^*(1410)^{-}$ 和 $K^*(800)^{-}$ 的共振与非共振振幅组合，对不变质量谱进行拟合，并通过替代模型拟合估算系统误差。
• 通过测量到的强子质量分布对 $\tau^- \to K^0_S\pi^-\pi^0\nu_\tau$ 的背景贡献进行建模，从而提高 $K^0_S\pi^-$ 质量谱拟合的准确性。
• 通过研究轨迹动量重建、能量损失、磁场分辨率及模型依赖性的影响评估系统误差，其中主要来源为轨迹动量的低估。
• 最终结果通过结合 $\tau^+$ 与 $\tau^-$ 衰变的独立分析获得，统计与系统误差通过拟合与标定过程传播。

实验结果

研究问题

• RQ1 tau 轻子质量的精确值是多少？与世界平均值相比如何？
• RQ2 $\tau^+\tau^-$ 质量差是多少？是否支持 CPT 不变性？
• RQ3 奇异强子衰变 $\tau^- \to \bar{K}^0\pi^-\pi^0\nu_\tau$ 与 $\tau^- \to \bar{K}^0\pi^-\nu_\tau$ 的分支比是多少？
• RQ4 从 $\tau^- \to K^0_S\pi^-\nu_\tau$ 衰变中确定的 $K^*(892)^{-}$ 共振态的质量与宽度是多少？
• RQ5 包含 $K^*(800)^{-}$ 与 $K^*(1410)^{-}$ 的替代共振模型是否能比单一 $K^*(892)^{-}$ 共振态更好地描述 $K^0_S\pi^-$ 不变质量谱？

主要发现

• tau 轻子质量测量结果为 $1776.68 \pm 0.12\,\text{(统计)} \pm 0.41\,\text{(系统)}\,\text{MeV}/c^2$，与世界平均值一致。
• $\tau^+\tau^-$ 质量差测量结果为 $\frac{M_{\tau^{-}} - M_{\tau^{+}}}{\langle M\rangle} = -3.4 \pm 1.3\,\text{(统计)} \pm 0.3\,\text{(系统)} \times 10^{-4}$，与 CPT 不变性一致。
• $\tau^- \to \bar{K}^0\pi^-\pi^0\nu_\tau$ 的分支比测量结果为 $(0.342 \pm 0.006\,\text{(统计)} \pm 0.015\,\text{(系统)})\%$，精度得到提升。
• $K^*(892)^{-}$ 共振态质量测定为 $894.30 \pm 0.19\,\text{(统计)} \pm 0.19\,\text{(系统)}\,\text{MeV}/c^2$，确认其值较世界平均值偏高。
• $K^*(892)^{-}$ 宽度测量结果为 $45.56 \pm 0.43\,\text{(统计)} \pm 0.57\,\text{(系统)}\,\text{MeV}/c$，相比以往 Belle 测量结果精度提高了两倍。
• 结合 $K^*(800)^{-}$、$K^*(892)^{-}$ 与 $K^*(1410)^{-}$ 共振态的模型能良好描述 $K^0_S\pi^-$ 不变质量谱，支持存在多个共振贡献。