Bふぁkτのレプトン数を破る崩壊の探索

tgm/eg の探索
科研費研究員早坂圭司
学術創成評価委員会
1
2015/10/1
学術創成研究課題「レプトン物理の新展開」
レプトン物理の
新展開
標準理論の
高感度検証
New Physics
探索
t-LFV の探索
• tgm/eg
• tgm/e h/h’/p0
• tgm/e V0
2015/10/1
Hadronic t decayの測定
• tgKK*0n
• tgpp0n
2
学術創成評価委員会
τレプトンとＢＳＭ


標準模型ではレプトン数は保存
p+gm++nm, m-ge-+ne+nm
レプトン数を破る(LFV)現象を発見すればBeyond the
Standard Model(BSM) の現象を発見したことになる。
m-ge-+g, m-ge-+e++e-, t-gm-+g, e++e-gt++mcf. 標準模型で許される現象の場合、正確に標準模型からの寄与と
BSMからの寄与を分離しなくてはならない。


B+gt++nt の場合：間にW+ が飛ぶ（標準模型）・H+ が飛ぶ(SUSY)
tが一番重たいレプトン：Brは質量のn乗に比例
τLFV 崩壊
n=1
n=2
n=3
n=4
Br~O(10-7~-9) (m /m )n
0.017
0.00029
4.8x10-6
8.2x10-8
m
t
と予想
2015/10/1
3
学術創成評価委員会
New physics と tgm+g

tLFV 崩壊の中で最も期待されている
e.g. MSSM+ seesaw model
chargino
• Br(tmee) / Br(tmg) ~1/94
• Br(tmmm)/ Br(tmg) ~ 1/440
sneutrino
tmR  tmL  1
を仮定
 tan    M SUSY 
Br(t  mg )  3.0 10  

 
 60   1T eV 
2
-4
-6
hep-ex/0406071
2015/10/1
4
学術創成評価委員会
本研究課題における取り組み

３種の神器
(1)高統計のデータ
Belle 実験で収集された
世界最高統計量のデータ
(2)データ解析能力
BGの排除
高いS/N
(3)独創的研究能力
これまでの
研究成果の
蓄積
学術創成研究費による
•データ解析システム拡充
•研究員の動員
2015/10/1
5
学術創成評価委員会
Bファクトリーとτ


Bファクトリーはτファクトリー（世界最多のτデータ）
s(bb)~1.1nb/s(tt)~0.9nb at 10.6GeV
→B中間子とほぼ同数のτレプトンが生成される
109個のτ～O(10-8)の感度
最近のLFV τのデータはＢファクトリーから
PDG2006
Ｂファクトリー  t LFV 崩壊探索のベストな環境
2015/10/1
6
学術創成評価委員会
tgmg 崩壊探索の歴史
# of t pairs
Before B factories
１０年で１桁程度の改善
2015/10/1
B factories
4,5年で一桁改善？
7
学術創成評価委員会
ＫＥＫＢ加速器
e+e- g U(4s) g BB
KEKB
Belle
Linac


周長３ｋｍ。非対称電子陽電子衝突型加速器
（電子8GeV,陽電子 3.5GeV, √s=10.6GeV）
１日に約１００万個のＢＢ生成能力（世界最高）
2015/10/1
8
学術創成評価委員会
KEKB加速器とルミノシティ
積分ルミノシティー (fb-1)
peak luminosity
1.71x1034cm-2s-1
～ＢＢを１０個程度／１秒
積分ルミノシティ
蓄積されたデータ量
>700fb-1
７億個相当のＢＢが生成
2015/10/1
9
学術創成評価委員会
Belle 検出器
Aerogel Cherenkov cnt.
SC solenoid
3.5 GeV e+
CsI(Tl)
TOF counter
8 GeV e-
Central Drift Chamber
m / KL detection
Si vtx. det.
2015/10/1
3/4 lyr. DSSD
10
学術創成評価委員会
tgm+g search （信号事象）

e+e-gt+t-
signal event m
1 prong + missing
( tag side)
m+g (signal side)
2
E  Emg - E
CM
g
t
e
e
generic t decay
M mg  ( Emg - pmg )
2
t
CM
beam
signal MC
信号事象に対しては
M mg ~ mt , E ~ 0
信号事象の評価: Mmg-E 平面上
•blind analysis
2015/10/1
3s ellipse: blinded region
11
学術創成評価委員会
tgm+g search （予想される背景事象）
eegttg
eegmmg
g
信号事象
g
m-
te-
e+
m-
m-
e-
e+
t+
g
m+
t-
sig:ν２本
tag:ν１本
e-
e+
t+
m
eegqq
m ではないことを要求
sig:ν０本
tag:ν１本
2015/10/1
欠損運動量、
欠損質量の
情報を活用
p-
e-
e+
ep+
g
e-
q=u,d
e+
m-
2光子過程
e+
sig:ν０本
tag:ν０本
m+
12
学術創成評価委員会
tgm+g search （欠損運動量と背景事象）



欠損運動量 pmiss
pmiss = (beam の運動量）
signal
data
ー（観測された全運動量の和）
mmiss2=Emiss2-pmiss2
– Emiss を求める時はtag sideの粒子にπmass を
仮定
mg
mmiss2 – pmiss平面で e+
選別
t-
et+
91% のBGを排除！
信号は８０％keep
m
2015/10/1
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学術創成評価委員会
tgm+g search （さらなる背景事象の排除）
Data
signalMC
MCtotal
ttMC
mmMC
uds
eemm
cosqtag-missCM<0.98
mmg 事象のさらなる排除
g
me-
e+
signal:94%
mm:56%
m+
g
cosq<0.4
ISR g の排除
m
g
m
signal:73%
BG:46%
t
q
g
t 静止系
2015/10/1
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学術創成評価委員会
tgm+g search （信号事象数の評価）

signal extraction:
– Unbinned Extended Maximum Likelihood fit
likelihood function:
e - ( s +b ) N
L
(sPDFsig + bPDFBG )

N! i 1
PDFsig : signal MC の分布をスムージング
PDFBG : side-band data 分布をLandau + Gaussian で再現
s,b : free parameter
N: 観測されたイベント数
擬似実験によって得られたToyMC事象：９０％信頼度での信号数の上限値
（擬似実験の回数：１００００回）
2015/10/1
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学術創成評価委員会
New result of tgm+g search

Belle(535fb-1)
signal
data
•Analysis based on the previous
one of 86fb-1 data sample
•more tight requirements to
reduce BG
•remaining events:
54ev./86fb-1 g 94ev./535fb-1
•signal detection eff.: 11% g 6.7%
projection
blinded region
•signal region: 5s box g 2s ellipse
•signal extraction: UEML fit
2D fit on Mmg-E plane
distribution in 2s band
result:s=-3.9, b=13.9
(allow negative s and its prob. 25%)
Br<4.5x10-8 at 90%C.L.
2015/10/1
no signal events are found.
16
preliminary
学術創成評価委員会
Development of results of tgm+g
• MSSM + seesaw
 tan    M SUSY 
Br(t  mg )  3.0 10  

 
60
1
T
eV

 

2
-4
-6
BaBar result
New result
Belle result
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old
new
Luminosity:
86fb-1
g 535fb-1 (x 6.2)
U.L. of Br:
3.1x10-7 g 4.5x10-8 (x 6.8)
negative signal yield: forbidden g allowed
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学術創成評価委員会
Future prospect on tgmg
%
535fb-1
5ab-1
大体ルミノシティーのルートの
逆数に比例して下がる
30ab-1 のデータがあれば
Brの上限値は 9x10-9程度
2015/10/1
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学術創成評価委員会
New results of tge+g

Belle(535fb-1)
•Analysis based on the previous
one of 86fb-1 data sample
•more tight requirements to
reduce BG
•remaining events:
20ev./86fb-1 g 54ev./535fb-1
•signal detection eff.: 6.4% g 4.0%
•signal region: 5s box g 2s ellipse
•signal extraction: UEML fit
signal extraction:2D UEML fit in 2s ellipse
result:s=-0.14, b=5.14
Br<12.0x10-8 at 90%CL
2015/10/1
preliminary
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学術創成評価委員会
まとめ






τLFV崩壊はBSM粒子が関わる現象/発見＝ＢＳＭの存在
⇒μLFVよりは大きな確率で見える
Bファクトリーはτファクトリーでもある。
⇒どの実験よりもt-LFV探索に有利な環境
tgmg / eg を Belle 実験で収集された 535fb-1のデータを
用いて探索（≒5x108 t-pair）
探索感度を上げるために事象選択の工夫
２σ領域：10ev(mg),5ev(eg) 観測
Br(tgmg)<4.5x10-8, Br(tgeg)<1.2x10-7
⇒上限値の下がり具合は徐々に鈍化
→解析方法、測定方法などの改善
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学術創成評価委員会
Selection Criteria

added some requirements to those of previous analysis
tgmg
2015/10/1
tgeg
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学術創成評価委員会
PDF for BG distributions, tt and mm
mmg
ttMC
1.95-2.00
These distributins
are reproduced
by Landau+Gauss
function.
1.90-1.95
1.85-1.90
1.80-1.85
We call them
BGtt BGmm
1.75-1.80
1.70-1.75
1.65-1.70
1.60-1.65
-0.5
2015/10/1
E(GeV)
0.2 0.0
E(GeV)22
0.5
学術創成評価委員会
どんなイベントができるのか？
クォーク
レプトン
2光子過程
e,m,t
u,d,s,c,b
s(mm)~1.0nb
s(tt)~0.9nb
s(bhabha)~124nb
2015/10/1
s(eedd)~0.8nb
s(eess)~0.2nb
s(eecc)~0.03nb
s(uu)~1.4nb
s(eeee)~41nb
s(dd)~0.4nb
s(eemm)~19nb
s(ss)~0.4nb
s(eeuu)~12nb
s(cc)~1.3nb
s(bb)~1.1nb 23
学術創成評価委員会
performance of Belle Detector

momentum resolution

m-ID (L>0.95,p>1.0GeV/c)
eff:90% fake:0.8%
e-ID (L>0.9,p>1.0GeV/c)
eff:95% fake:0.1%


gamma energy resulution
2015/10/1
24
学術創成評価委員会
2015/10/1
25
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KEKBの記録
2015/10/1
26
学術創成評価委員会
Previous result of tgm+g search

BaBar(232fb-1)
– signal detection eff.: 9.4%
– not only 1-prong but 3-prong
events in tag side; 8.8%g9.4%
– Neural Network selection
– beam energy constraint mass
M EC 
CM 2
beam
(E
CM 2
- pmg
signal distribution:

– 1D UEML fit with 2s E band
– s= -2.2, b= 143 (prob. 30%)
)
a
Br<6.8x10-8 at 90%CL
PRL 95, 041802 (2005)
2015/10/1
27
学術創成評価委員会

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