Search for τ−→μ−μ+μ− decays at the LHCb experiment with Run 2 data
LHCb実験によって13 TeVで収集された5.4 fb−1のRun 2データを用い、レプトンフレーバーを破る崩壊 τ−→μ−μ+μ− の探索を行った結果、この過程の証拠は見出されず、その分岐比に対して90%信頼水準で1.9×10−8の上限値が設定された。
原著者: LHCb collaboration, R. Aaij, A. S. W. Abdelmotteleb, C. Abellan Beteta, F. Abudinén, T. Ackernley, A. A. Adefisoye, B. Adeva, M. Adinolfi, P. Adlarson, C. Agapopoulou, C. A. Aidala, Z. Ajaltouni, S. Akar, K. Akiba, M. Akthar, P. Albicocco, J. Albrecht, R. Aleksiejunas, F. Alessio, P. Alvarez Cartelle, R. Amalric, S. Amato, J. L. Amey, Y. Amhis, L. An, L. Anderlini, M. Andersson, P. Andreola, M. Andreotti, S. Andres Estrada, A. Anelli, D. Ao, C. Arata, F. Archilli, Z. Areg, M. Argenton, S. Arguedas Cuendis, L. Arnone, A. Artamonov, M. Artuso, E. Aslanides, R. Ataíde Da Silva, M. Atzeni, B. Audurier, J. A. Authier, D. Bacher, I. Bachiller Perea, S. Bachmann, M. Bachmayer, J. J. Back, P. Baladron Rodriguez, V. Balagura, A. Balboni, W. Baldini, Z. Baldwin, L. Balzani, H. Bao, J. Baptista de Souza Leite, C. Barbero Pretel, M. Barbetti, I. R. Barbosa, R. J. Barlow, M. Barnyakov, S. Barsuk, W. Barter, J. Bartz, S. Bashir, B. Batsukh, P. B. Battista, A. Bavarchee, A. Bay, A. Beck, M. Becker, F. Bedeschi, I. B. Bediaga, N. A. Behling, S. Belin, A. Bellavista, K. Belous, I. Belov, I. Belyaev, G. Benane, G. Bencivenni, E. Ben-Haim, A. Berezhnoy, R. Bernet, S. Bernet Andres, A. Bertolin, F. Betti, J. Bex, O. Bezshyyko, S. Bhattacharya, M. S. Bieker, N. V. Biesuz, A. Biolchini, M. Birch, F. C. R. Bishop, A. Bitadze, A. Bizzeti, T. Blake, F. Blanc, J. E. Blank, S. Blusk, V. Bocharnikov, J. A. Boelhauve, O. Boente Garcia, T. Boettcher, A. Bohare, A. Boldyrev, C. Bolognani, R. Bolzonella, R. B. Bonacci, N. Bondar, A. Bordelius, F. Borgato, S. Borghi, M. Borsato, J. T. Borsuk, E. Bottalico, S. A. Bouchiba, M. Bovill, T. J. V. Bowcock, A. Boyer, C. Bozzi, J. D. Brandenburg, A. Brea Rodriguez, N. Breer, J. Brodzicka, J. Brown, D. Brundu, E. Buchanan, M. Burgos Marcos, A. T. Burke, C. Burr, C. Buti, J. S. Butter, J. Buytaert, W. Byczynski, S. Cadeddu, H. Cai, Y. Cai, A. Caillet, R. Calabrese, S. Calderon Ramirez, L. Calefice, M. Calvi, M. Calvo Gomez, P. Camargo Magalhaes, J. I. Cambon Bouzas, P. Campana, A. C. Campos, A. F. Campoverde Quezada, Y. Cao, S. Capelli, M. Caporale, L. Capriotti, R. Caravaca-Mora, A. Carbone, L. Carcedo Salgado, R. Cardinale, A. Cardini, P. Carniti, L. Carus, A. Casais Vidal, R. Caspary, G. Casse, M. Cattaneo, G. Cavallero, V. Cavallini, S. Celani, I. Celestino, S. Cesare, A. J. Chadwick, I. Chahrour, H. Chang, M. Charles, Ph. Charpentier, E. Chatzianagnostou, R. Cheaib, M. Chefdeville, C. Chen, J. Chen, S. Chen, Z. Chen, A. Chen Hu, M. Cherif, A. Chernov, S. Chernyshenko, X. Chiotopoulos, V. Chobanova, M. Chrzaszcz, A. Chubykin, V. Chulikov, P. Ciambrone, X. Cid Vidal, G. Ciezarek, P. Cifra, P. E. L. Clarke, M. Clemencic, H. V. Cliff, J. Closier, C. Cocha Toapaxi, V. Coco, J. Cogan, E. Cogneras, L. Cojocariu, S. Collaviti, P. Collins, T. Colombo, M. Colonna, A. Comerma-Montells, L. Congedo, J. Connaughton, A. Contu, N. Cooke, G. Cordova, C. Coronel, I. Corredoira, A. Correia, G. Corti, J. Cottee Meldrum, B. Couturier, D. C. Craik, M. Cruz Torres, M. Cubero Campos, E. Curras Rivera, R. Currie, C. L. Da Silva, S. Dadabaev, X. Dai, E. Dall'Occo, J. Dalseno, C. D'Ambrosio, J. Daniel, G. Darze, A. Davidson, J. E. Davies, O. De Aguiar Francisco, C. De Angelis, F. De Benedetti, J. de Boer, K. De Bruyn, S. De Capua, M. De Cian, U. De Freitas Carneiro Da Graca, E. De Lucia, J. M. De Miranda, L. De Paula, M. De Serio, P. De Simone, F. De Vellis, J. A. de Vries, F. Debernardis, D. Decamp, S. Dekkers, L. Del Buono, B. Delaney, J. Deng, V. Denysenko, O. Deschamps, F. Dettori, B. Dey, P. Di Nezza, I. Diachkov, S. Didenko, S. Ding, Y. Ding, L. Dittmann, V. Dobishuk, A. D. Docheva, A. Doheny, C. Dong, A. M. Donohoe, F. Dordei, A. C. dos Reis, A. D. Dowling, L. Dreyfus, W. Duan, P. Duda, L. Dufour, V. Duk, P. Durante, M. M. Duras, J. M. Durham, O. D. Durmus, A. Dziurda, A. Dzyuba, S. Easo, E. Eckstein, U. Egede, A. Egorychev, V. Egorychev, S. Eisenhardt, E. Ejopu, L. Eklund, M. Elashri, D. Elizondo Blanco, J. 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Hou, Y. Hou, D. C. Houston, N. Howarth, W. Hu, X. Hu, W. Hulsbergen, R. J. Hunter, M. Hushchyn, D. Hutchcroft, M. Idzik, D. Ilin, P. Ilten, A. Iniukhin, A. Iohner, A. Ishteev, K. Ivshin, H. Jage, S. J. Jaimes Elles, S. Jakobsen, T. Jakoubek, E. Jans, B. K. Jashal, A. Jawahery, C. Jayaweera, A. Jelavic, V. Jevtic, Z. Jia, E. Jiang, X. Jiang, Y. Jiang, Y. J. Jiang, E. Jimenez Moya, N. Jindal, M. John, A. John Rubesh Rajan, D. Johnson, C. R. Jones, S. Joshi, B. Jost, J. Juan Castella, N. Jurik, I. Juszczak, K. Kalecinska, D. Kaminaris, S. Kandybei, M. Kane, Y. Kang, C. Kar, M. Karacson, A. Kauniskangas, J. W. Kautz, M. K. Kazanecki, F. Keizer, M. Kenzie, T. Ketel, B. Khanji, A. Kharisova, S. Kholodenko, G. Khreich, F. Kiraz, T. Kirn, V. S. Kirsebom, S. Klaver, N. Kleijne, A. Kleimenova, D. K. Klekots, K. Klimaszewski, M. R. Kmiec, T. Knospe, R. Kolb, S. Koliiev, L. Kolk, A. Konoplyannikov, P. Kopciewicz, P. Koppenburg, A. Korchin, I. Kostiuk, O. Kot, S. Kotriakhova, E. Kowalczyk, A. 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López Soliño, Q. Lu, C. Lucarelli, D. Lucchesi, M. Lucio Martinez, Y. Luo, A. Lupato, E. Luppi, K. Lynch, S. Lyu, X. -R. Lyu, G. M. Ma, H. Ma, S. Maccolini, F. Machefert, F. Maciuc, B. Mack, I. Mackay, L. M. Mackey, L. R. Madhan Mohan, M. J. Madurai, D. Magdalinski, D. Maisuzenko, J. J. Malczewski, S. Malde, L. Malentacca, A. Malinin, T. Maltsev, G. Manca, G. Mancinelli, C. Mancuso, R. Manera Escalero, F. M. Manganella, D. Manuzzi, D. Marangotto, J. F. Marchand, R. Marchevski, U. Marconi, E. Mariani, S. Mariani, C. Marin Benito, J. Marks, A. M. Marshall, L. Martel, G. Martelli, G. Martellotti, L. Martinazzoli, M. Martinelli, D. Martinez Gomez, D. Martinez Santos, F. Martinez Vidal, A. Martorell i Granollers, A. Massafferri, R. Matev, A. Mathad, V. Matiunin, C. Matteuzzi, K. R. Mattioli, A. Mauri, E. Maurice, J. Mauricio, P. Mayencourt, J. Mazorra de Cos, M. Mazurek, D. Mazzanti Tarancon, M. McCann, N. T. McHugh, A. McNab, R. McNulty, B. Meadows, D. Melnychuk, D. Mendoza Granada, P. Menendez Valdes Perez, F. M. Meng, M. Merk, A. Merli, L. Meyer Garcia, D. Miao, H. Miao, M. Mikhasenko, D. A. Milanes, A. Minotti, E. Minucci, T. Miralles, B. Mitreska, D. S. Mitzel, R. Mocanu, A. Modak, L. Moeser, R. D. Moise, E. F. Molina Cardenas, T. Mombächer, M. Monk, T. Monnard, S. Monteil, A. Morcillo Gomez, G. Morello, M. J. Morello, M. P. Morgenthaler, A. Moro, J. Moron, W. Morren, A. B. Morris, A. G. Morris, R. Mountain, Z. Mu, E. Muhammad, F. Muheim, M. Mulder, K. Müller, F. Muñoz-Rojas, R. Murta, V. Mytrochenko, P. Naik, T. Nakada, R. Nandakumar, T. Nanut, G. Napoletano, I. Nasteva, M. Needham, E. Nekrasova, N. Neri, S. Neubert, N. Neufeld, P. Neustroev, J. Nicolini, D. Nicotra, E. M. Niel, N. Nikitin, L. Nisi, Q. Niu, B. K. Njoki, P. Nogarolli, P. Nogga, C. Normand, J. Novoa Fernandez, G. Nowak, C. Nunez, H. N. Nur, A. Oblakowska-Mucha, V. Obraztsov, T. Oeser, A. Okhotnikov, O. Okhrimenko, R. Oldeman, F. Oliva, E. Olivart Pino, M. Olocco, R. H. O'Neil, J. S. Ordonez Soto, D. Osthues, J. M. Otalora Goicochea, P. Owen, A. Oyanguren, O. Ozcelik, F. Paciolla, A. Padee, K. O. Padeken, B. Pagare, T. Pajero, A. Palano, L. Palini, M. Palutan, C. Pan, X. Pan, S. Panebianco, S. Paniskaki, G. Panshin, L. Paolucci, A. Papanestis, M. Pappagallo, L. L. Pappalardo, C. Pappenheimer, C. Parkes, D. Parmar, G. Passaleva, D. Passaro, A. Pastore, M. Patel, J. Patoc, C. Patrignani, A. Paul, C. J. Pawley, A. Pellegrino, J. Peng, X. Peng, M. Pepe Altarelli, S. Perazzini, D. Pereima, H. Pereira Da Costa, M. Pereira Martinez, A. Pereiro Castro, C. Perez, P. Perret, A. Perrevoort, A. Perro, M. J. Peters, K. Petridis, A. Petrolini, S. Pezzulo, J. P. Pfaller, H. Pham, L. Pica, M. Piccini, L. Piccolo, B. Pietrzyk, G. Pietrzyk, R. N. Pilato, D. Pinci, F. Pisani, M. Pizzichemi, V. M. Placinta, M. Plo Casasus, T. Poeschl, F. Polci, M. Poli Lener, A. Poluektov, N. Polukhina, I. Polyakov, E. Polycarpo, S. Ponce, D. Popov, K. Popp, S. Poslavskii, K. Prasanth, C. Prouve, D. Provenzano, V. Pugatch, A. Puicercus Gomez, G. Punzi, J. R. Pybus, Q. Qian, W. Qian, N. Qin, R. Quagliani, R. I. Rabadan Trejo, R. Racz, J. H. Rademacker, M. Rama, M. Ramírez García, V. Ramos De Oliveira, M. Ramos Pernas, M. S. Rangel, F. Ratnikov, G. Raven, M. Rebollo De Miguel, F. Redi, J. Reich, F. Reiss, Z. Ren, P. K. Resmi, M. Ribalda Galvez, R. Ribatti, G. Ricart, D. Riccardi, S. Ricciardi, K. Richardson, M. Richardson-Slipper, F. Riehn, K. Rinnert, P. Robbe, G. Robertson, E. Rodrigues, A. Rodriguez Alvarez, E. Rodriguez Fernandez, J. A. Rodriguez Lopez, E. Rodriguez Rodriguez, J. Roensch, A. Rogachev, A. Rogovskiy, D. L. Rolf, P. Roloff, V. Romanovskiy, A. Romero Vidal, G. Romolini, F. Ronchetti, T. Rong, M. Rotondo, S. R. Roy, M. S. Rudolph, M. Ruiz Diaz, R. A. Ruiz Fernandez, J. Ruiz Vidal, J. J. Saavedra-Arias, J. J. Saborido Silva, S. E. R. Sacha Emile R., N. Sagidova, D. Sahoo, N. Sahoo, B. Saitta, M. Salomoni, I. Sanderswood, R. Santacesaria, C. Santamarina Rios, M. Santimaria, L. Santoro, E. Santovetti, A. Saputi, D. Saranin, A. Sarnatskiy, G. Sarpis, M. Sarpis, C. Satriano, A. Satta, M. Saur, D. Savrina, H. Sazak, F. Sborzacchi, A. Scarabotto, S. Schael, S. Scherl, M. Schiller, H. Schindler, M. Schmelling, B. Schmidt, N. Schmidt, S. Schmitt, H. Schmitz, O. Schneider, A. Schopper, N. Schulte, M. H. Schune, G. Schwering, B. Sciascia, A. Sciuccati, G. Scriven, I. Segal, S. Sellam, A. Semennikov, T. Senger, M. Senghi Soares, A. Sergi, N. Serra, L. Sestini, A. Seuthe, B. Sevilla Sanjuan, Y. Shang, D. M. Shangase, M. Shapkin, R. S. Sharma, I. Shchemerov, L. Shchutska, T. Shears, L. Shekhtman, J. Shen, Z. Shen, S. Sheng, V. Shevchenko, B. Shi, J. Shi, Q. Shi, W. S. Shi, Y. Shimizu, E. Shmanin, R. Shorkin, J. D. Shupperd, R. Silva Coutinho, G. Simi, S. Simone, M. Singha, I. Siral, N. Skidmore, T. Skwarnicki, M. W. Slater, E. Smith, M. Smith, L. Soares Lavra, M. D. Sokoloff, F. J. P. Soler, A. Solomin, A. Solovev, K. Solovieva, N. S. Sommerfeld, R. Song, Y. Song, Y. Song, Y. S. Song, F. L. Souza De Almeida, B. Souza De Paula, K. M. Sowa, E. Spadaro Norella, E. Spedicato, J. G. Speer, P. Spradlin, F. Stagni, M. Stahl, S. Stahl, S. Stanislaus, M. Stefaniak, O. Steinkamp, D. Strekalina, Y. Su, F. Suljik, J. Sun, J. Sun, L. Sun, D. Sundfeld, W. Sutcliffe, P. Svihra, V. Svintozelskyi, K. Swientek, F. Swystun, A. Szabelski, T. Szumlak, Y. Tan, Y. Tang, Y. T. Tang, M. D. Tat, J. A. Teijeiro Jimenez, A. Terentev, F. Terzuoli, F. Teubert, E. Thomas, D. J. D. Thompson, A. R. Thomson-Strong, H. Tilquin, V. Tisserand, S. T'Jampens, M. Tobin, T. T. Todorov, L. Tomassetti, G. Tonani, X. Tong, T. Tork, L. Toscano, D. Y. Tou, C. Trippl, G. Tuci, N. Tuning, L. H. Uecker, A. Ukleja, D. J. Unverzagt, A. Upadhyay, B. Urbach, A. Usachov, A. Ustyuzhanin, U. Uwer, V. Vagnoni, A. Vaitkevicius, V. Valcarce Cadenas, G. Valenti, N. Valls Canudas, J. van Eldik, H. Van Hecke, E. van Herwijnen, C. B. Van Hulse, R. Van Laak, M. van Veghel, G. Vasquez, R. Vazquez Gomez, P. Vazquez Regueiro, C. Vázquez Sierra, S. Vecchi, J. Velilla Serna, J. J. Velthuis, M. Veltri, A. Venkateswaran, M. Verdoglia, M. Vesterinen, W. Vetens, D. Vico Benet, P. Vidrier Villalba, M. Vieites Diaz, X. Vilasis-Cardona, E. Vilella Figueras, A. Villa, P. Vincent, B. Vivacqua, F. C. Volle, D. vom Bruch, N. Voropaev, K. Vos, C. Vrahas, J. Wagner, J. Walsh, E. J. Walton, G. Wan, A. Wang, B. Wang, C. Wang, G. Wang, H. Wang, J. Wang, J. Wang, J. Wang, J. Wang, M. Wang, N. W. Wang, R. Wang, X. Wang, X. Wang, X. W. Wang, Y. Wang, Y. Wang, Y. H. Wang, Z. Wang, Z. Wang, J. A. Ward, M. Waterlaat, N. K. Watson, D. Websdale, Y. Wei, Z. Weida, J. Wendel, B. D. C. Westhenry, C. White, M. Whitehead, E. Whiter, A. R. Wiederhold, D. Wiedner, M. A. Wiegertjes, C. Wild, G. Wilkinson, M. K. Wilkinson, M. Williams, M. J. Williams, M. R. J. Williams, R. Williams, S. Williams, Z. Williams, F. F. Wilson, M. Winn, W. Wislicki, M. Witek, L. Witola, T. Wolf, E. Wood, G. Wormser, S. A. Wotton, H. Wu, J. Wu, X. Wu, Y. Wu, Z. Wu, K. Wyllie, S. Xian, Z. Xiang, Y. Xie, T. X. Xing, A. Xu, L. Xu, M. Xu, Z. Xu, Z. Xu, Z. Xu, S. Yadav, K. Yang, X. Yang, Y. Yang, Y. Yang, Z. Yang, V. Yeroshenko, H. Yeung, H. Yin, X. Yin, C. Y. Yu, J. Yu, X. Yuan, Y Yuan, J. A. Zamora Saa, M. Zavertyaev, M. Zdybal, F. Zenesini, C. Zeng, M. Zeng, C. Zhang, D. Zhang, J. Zhang, L. Zhang, R. Zhang, S. Zhang, S. L. Zhang, Y. Zhang, Y. Z. Zhang, Z. Zhang, Y. Zhao, A. Zhelezov, S. Z. Zheng, X. Z. Zheng, Y. Zheng, T. Zhou, X. Zhou, Y. Zhou, V. Zhovkovska, L. Z. Zhu, X. Zhu, X. Zhu, Y. Zhu, V. Zhukov, J. Zhuo, D. Zuliani, G. Zunica
原論文は CC BY 4.0 (http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/) でライセンスされています。 ✨ これは以下の論文のAI生成解説です。著者が執筆または承認したものではありません。技術的な正確性については原論文を参照してください。 免責事項の全文を読む
ビッグピクチャー:宇宙の「犯人探し」
宇宙が巨大で超高速の列車駅(大型ハドロン衝突型加速器、LHC)であると想像してみてください。毎秒、何百万もの粒子が互いに衝突し、あらゆる方向に飛び散る新しい粒子の混沌とした爆発を引き起こしています。
ほとんどの場合、これらの粒子は「標準模型」として知られる物理学の「ルールブック」に従います。このルールブックによれば、「タウ・レプトン」(ここでは「タウ」と呼びましょう)と呼ばれる特定の粒子は、非常に内気です。彼らは通常、特定の予測可能な粒子のグループへと崩壊(分解)します。
しかし、物理学者たちは、この機械の中に「秘密のルール」や「幽霊」が潜んでいるのではないかと疑っています。彼らが探しているのは、タウがルールを破り、一度に「3つのミューオン」(別の種類の粒子)へと変化するという、非常に稀なイベントです。現在のルールブックでは、これは禁止されています。もしこれが見つかれば、ルールブックは不完全であり、どこかに「新しい物理学」が隠れていることを意味します。
ミッション:干し草の山から針を探す
LHCb実験は、プラットフォームに立つ超精密なカメラと探偵チームのようなものです。彼らの仕事は、衝突を見守り、その特定の禁止されたイベント、すなわち「タウが3つのミューオンに変化する現象(τ→μ−μ+μ−)」を探し出すことです。
問題は? このイベントは信じられないほど稀であるということです。それは、膨大な普通の砂の中に隠された、ネオングリーンに塗られたたった一粒の特定の砂を探すようなものです。
方法: 「参照写真」のトリック
この針を見つけるために、LHCbチームはただ混沌を見つめていたわけではありません。彼らは巧妙な比較トリックを用いました。
- シグナル(探索対象): 彼らは、禁止された「タウから3つのミューオンへの変化」を探しました。
- ノーマライザー(基準となるもの): 彼らは、非常に一般的で既知のイベント、すなわち Ds メソンがファイ・メソン(2つのミューオンに分裂する)とパイオンへと崩壊する現象も調べました。
次のように考えてみてください。群衆の中で「赤い帽子」を被っている人が何人いるか数えようとしているとしますが、群衆の総数が分かりません。そこで、彼らは「青い帽子」を被っている人の数も数えます。彼らは、過去の研究に基づき、青い帽子が正確に何個あるべきかを正確に知っています。見つけた赤い帽子の数を、見た青い帽子の数と比較することで、たとえ群衆の総数が分からなくても、赤い帽子がそもそも存在するのかどうかを判断できるのです。
探偵の仕事:ノイズのフィルタリング
彼らが収集したデータ(2016年〜2018年分)には、数十億回の衝突が含まれていました。そのほとんどは「ノイズ」、つまり偶然にシグナルのように見えてしまっただけのランダムな粒子でした。
このノイズを掃除するために、チームは2つの「スマートフィルター」(分類器と呼ばれるコンピュータプログラム)を使用しました。
- フィルター1(パターンマッチング): トラックの形状を見ます。粒子は共通の出発点から来たのか? 崩壊として理にかなった形で飛び散っているか? これにより、ランダムなゴミを取り除きました。
- フィルター2(IDチェック): 粒子が本当にミューオンなのか、それともミューオンのふりをしている他の粒子(パイオンやカオンなど)なのかを確認します。
彼らは、これらのフィルターが正確であることを保証するために、「偽の」データ(シミュレーション)と「青い帽子」(一般的なイベント)からの実データを使用して、これらのフィルターを訓練しました。
結果: 現時点での「潔白の証明」
すべてのデータをフィルターに通し、計算を行った結果:
- 禁止されたイベントは見つかったか? いいえ。タウが3つのミューオンに変化するケースはゼロでした。
- 多くのノイズは見つかったか? はい。しかし、彼らはどれくらいのノイズがあるはずかを正確に予測でき、データはその予測と完璧に一致しました。
イベントが見つからなかったため、彼らは「これがこれくらいの頻度で起こる」と言うことはできませんでした。代わりに、彼らは**限界値(リミット)**を設定しました。
彼らはこう言いました。「もしこのイベントが実際に起こるとしたら、それは1億個のタウにつき1.9回未満の頻度で起こるものである。」(これは科学的に <1.9×10−8 と表記されます。)
なぜこれが重要なのか
この結果は「網を tightening(絞り込むこと)」です。
- 以前は、限界値はもっと緩いものでした(イベントは1億個につき4.6回まで起こり得るとされていました)。
- 現在、より優れたデータとより優れたフィルターにより、網はより細かくなりました。イベントは、以前考えられていたよりもさらに稀である必要があります。
これは「新しい物理学」が存在しないことを意味するのではなく、単に「幽霊」を捕まえるのが以前よりも難しくなったことを意味します。これは科学者たちに、彼らの理論を更新することを強いるのです。もし新しい理論が、この新しい限界値よりも頻繁にイベントが起こると予測しているならば、その理論は今や間違いであると証明されたことになります。
まとめ
LHCbチームは、大規模なパーティーにいるハイテクなセキュリティチームのように振る舞いました。彼らはドレスコードを破っている特定の人物を探して、何百万ものゲストをスキャンしました。彼らはその人物を見つけませんでした。代わりに、もしその人物が存在するとしても、彼らは1億人のゲストのうち2人未満という極めて稀な存在であることを証明したのです。これは、物理学界全体に対して、「ルールブレイカー」がいかに稀な存在であるべきかという正確な指標を与えています。
技術要約:LHCbのRun 2データを用いた τ−→μ−μ+μ− 崩壊の探索
問題と動機
レプトン・フレーバー非保存(LFV)崩壊、例えば τ−→μ−μ+μ− は、質量のないニュートリノを仮定した標準模型(SM)の下では厳密に禁止されている。質量を持つニュートリノを考慮したシナリオであっても、予測される分岐比は極めて小さく(∼10−55)、現在または将来の実験の感度を遥かに下回っている。しかし、重いニュートリノや追加の中性ゲージボソン(Z′)の交換を含む様々な標準模型の拡張モデルは、10−10 から 10−8 の範囲の分岐比を予測している。したがって、この崩壊が観測されれば、標準模型を超える物理の明確な証拠となる一方で、より厳格な上限値を設定することは、これらの理論的拡張に対する制約を与えることになる。本論文では、LHCb実験によって収集されたデータを用いて、この特定のLFV崩壊の探索を提示する。
手法
本解析では、LHCb実験において中心質量エネルギー s=13 TeV で収集された、積分ルミノシティ 5.4 fb−1 に相当する2016年から2018年までの陽子・陽子衝突データを利用する。
- 信号と正規化: 信号チャネルは τ−→μ−μ+μ− である。分岐比は、よく知られた正規化チャネルである Ds−→ϕ(1020)π−(ここで ϕ→μ−μ+)に対して相対的に測定される。この正規化モードは、トポロジーと崩壊の運動学が類似しているため選定された。分岐比は、観測された候補数(Nτ/NDs)を、選択効率の比(ϵτ/ϵDs)、Ds 崩壊から生成される τ− レプトンの割合(fDsτ)、および正規化モードの既知の分岐比で補正することで算出される。
- イベント選択: 候補は、共通の頂点から発生する全電荷 $-1の3本のトラックから再構成される。トラックの質、インパクトパラメータ有意性(\chi^2_{IP}$)、および粒子識別(PID)に対して厳格な要求が適用される。組合せ背景事象(コンビナトリアル・バックグラウンド)と誤識別されたハドロンを抑制するために、2つの勾配ブースティング決定木(XGBoost)分類器が用いられる:
- CAC(反組合せ): トポロジーおよび運動学的変数(アイソレーション、崩壊時間、頂点変位など)を用いて、ランダムなトラックの組み合わせを排除する。
- CPID: PIDおよび運動学的情報を用いて、ミューオンとして誤識別されたハドロンを排除する。
候補は $CAC > 0.80かつC_{PID} > 0.88$ を満たさなければならない。
- 背景事象のモデリング: 主要な背景事象は以下に由来する:
- ミューオンのランダムな組み合わせ(コンビナトリアル)。
- ハドロンがミューオンとして誤識別されたチャーム中間子のハドロン崩壊(D−→π−K+π− および D(s)−→π−π+π−)。
- 真のミューオンを伴う崩壊、具体的には Ds−→η(′)(→μ−μ+γ)μ−νˉμ。
信号領域は ∣Mμμμ−mτ∣≤20 MeV/c2 と定義される。背景事象の形状をモデル化し、収量を推定するために、サイドバンド領域(20<∣Mμμμ−mτ∣≤30 MeV/c2)が使用される。
- 統計解析: 上限値は CLs 法を用いて評価される。信号対背景分離を最大化するため、データセットはCACおよびCPIDの出力に基づき15個のビンに分割される。信号をJohnsonのSU関数で、背景を指数関数とJohnsonのSU関数の和でモデル化し、これらのビンにわたって同時におよび非再構成的(unbinned)な拡張最大尤度フィットが行われる。
主要な貢献と系統誤差
精度を確保するために、本解析はいくつかの技術的な洗練を取り入れている:
- シミュレーションの較正: Ds−→ϕπ− チャネルを用いて、データとシミュレーション間の運動学および検出器応答の違いを補正するために、シミュレーションサンプルに重み付けを行う。
- 効率の補正: トッキングおよびトリガー効率は、プロンプトな J/ψ→μ+μ− 崩壊、および独立したトリガーラインを用いて較正される。
- 系統誤差: 主要な系統誤差の源は、外部入力(分岐比および生成割合)、効率比の決定、および背景事象の形状のモデリングである。これらは、限界計算においてガウス関数によって制約された摂動パラメータ(nuisance parameters)として扱われる。
結果
データにおいて信号イベントの有意な超過は観測されなかった。フィットから抽出された信号分岐比の代表値は (−0.1±1.1)×10−8 である。この結果に基づき、コラボレーションは以下の分岐比の上限値を設定する:
- 90% 信頼区間 (CL) で 1.9×10−8
- 95% 信頼区間 (CL) で 2.3×10−8
この結果は、Run 1 データから得られた従来のLHCbの上限値(90% CLで 4.6×10−8)を更新しており、Belle II コラボレーションが報告した最も厳格な制限(90% CLで 1.9×10−8)と同等の感度を持つ。
意義
本論文は、この結果が既存の探索の文脈において、標準模型の拡張に対する補完的な制約を提供することを主張している。LHCbのユニークな前方スペクトロメータの能力と、Run 2の大きなデータセットを活用することで、本解析は専用のBファクトリー実験と同等の感度を達成している。著者らは、アップグレードされたLHCb検出器による将来の解析が、より高いルミノシティと改善されたトリガー効率の恩恵を受け、この稀な崩壊モードへの感度をさらに高めるであろうと述べている。
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