Z 보손과 Z′ 보손의 전하 렙톤 플레버 위반 붕괴 탐색

초록

CMS는 13 TeV 양성자-양성자 충돌에서 138 fb⁻¹ 데이터를 이용해 Z → eμ, Z → eτ, Z → μτ 전하 렙톤 플레버 위반(클레프) 붕괴를 검색하였다. 관측된 95 % 신뢰수준 상한은 Z → eμ에서 1.9 × 10⁻⁷(예상 2.0 × 10⁻⁷), Z → eτ에서 13.8 × 10⁻⁶(예상 11.4 × 10⁻⁶), Z → μτ에서 12.0 × 10⁻⁶(예상 5.3 × 10⁻⁶)이다. 또한 eμ 최종 상태를 이용해 110–500 GeV 범위의 Z′ → eμ 위반 붕괴를 탐색했지만 유의미한 신호는 발견되지 않았다.

상세 분석

본 연구는 표준모형(SM)에서 전하 렙톤 플레버 보존이 거의 완벽하게 유지된다는 전제 하에, 그 위반을 직접 검증하고자 하는 최초 수준의 고감도 탐색이다. 기존 LEP와 초기 LHC 결과가 제시한 상한(예: Z → eμ < 2.6 × 10⁻⁷)보다 약 30 % 정도 더 엄격한 제한을 달성했으며, 특히 Z → eμ 채널에서 세계 최강의 직접 제한을 기록했다. 이는 2016–2018년 수집된 138 fb⁻¹ 데이터와 최신 CMS 검출기 성능, 그리고 다변량 분석(BDT) 기법을 결합한 결과이다.

분석 흐름은 크게 네 단계로 구성된다. 첫째, 전자·뮤온·타우 하드론(τ_h) 트리거를 이용해 두 개의 서로 다른 전하와 반대 전하를 가진 레프톤을 선별한다. 전자와 뮤온은 p_T > 30 GeV(연도별 차이)와 I_rel < 0.15의 엄격한 격리 기준을 만족하도록 선택했으며, τ_h는 p_T > 20 GeV, |η| < 2.3, 그리고 DEEPTAU 알고리즘의 “tight” 워킹 포인트를 적용했다.

둘째, 배경 억제를 위해 추가 전자·뮤온·τ_h를 포함한 이벤트를 배제하고, 비신호 영역(사이드밴드)에서 데이터 기반으로 배경 형태를 추정했다. Z → eμ 채널은 전자·뮤온 쌍의 불변질량(m_ℓℓ) 분포를 직접 피팅하여 신호와 배경을 구분했으며, BDT 점수에 따라 순도 높은 서브샘플을 정의해 배경 모델링의 정확성을 높였다.

셋째, Z → eτ·μτ 채널은 τ가 중성 입자와 누락된 에너지를 동반하기에 m_vis(가시 질량) 피크가 흐릿해진다. 따라서 BDT 점수 분포를 주요 변별 변수로 사용했으며, 신호-우세 영역과 배경-우세 영역을 각각 정의해 다중 템플릿 피팅을 수행했다.

넷째, 시스템틱 불확실성은 리컨스트럭션 효율, 트리거 효율, 배경 정규화, PDF 및 시뮬레이션 모델링 등 20여 항목을 포함했으며, 전체적인 제한에 미치는 영향은 5 % 이하로 억제되었다.

Z′ 탐색에서는 eμ 최종 상태만을 사용해 110–500 GeV 구간을 스캔했으며, 폭이 0.1 GeV인 좁은 폭 가정 하에 신호 모델을 구축했다. 전반적인 데이터와 기대 배경 사이에 유의미한 과잉이 없었으므로, 질량별 95 % CL 상한을 제시했다.

이러한 결과는 중성 전하 렙톤 플레버 위반이 매우 억제된다는 기존 이론적 기대와 일치한다. 동시에, 향후 고에너지·고강도 LHC 런에서 수집될 데이터와 향상된 분석 기법(예: 딥러닝 기반 분류기)으로는 현재 제한을 한 단계 더 낮출 가능성이 있다. 특히, τ 레프톤의 비가시적 붕괴를 보다 정밀히 재구성하거나, 전자·뮤온·τ의 복합 최종 상태를 동시에 고려하는 다채널 접근법이 향후 연구에 유망하다.