[論文レビュー] A search for $μ^+ o e^+γ$ with the first dataset of the MEG II experiment

MEG II collaboration, K. Afanaciev+80 more|arXiv (Cornell University)|Oct 19, 2023

Particle physics theoretical and experimental studies被引用数 6

ひとこと要約

本論文は、PSIにおけるMEG II実験の初期データセットを用いて、最初のμ+ → e+γの崩壊の探索を報告しており、90%信頼水準での上限が 𝒟(μ+ → e+γ) < 7.5 × 10−13 に達した。最終的なMEG結果と組み合わせることで、これまでで最も厳しい上限が 3.1 × 10−13 に設定され、標準模型を超える物理学を顕著に制約した。

ABSTRACT

The MEG II experiment, based at the Paul Scherrer Institut in Switzerland, reports the result of a search for the decay $μ^+ o e^+γ$ from data taken in the first physics run in 2021. No excess of events over the expected background is observed, yielding an upper limit on the branching ratio of B($μ^+ o e^+γ$) &lt; $7.5 imes 10^{-13}$ (90% C.L.). The combination of this result and the limit obtained by MEG gives B($μ^+ o e^+γ$) &lt; $3.1 imes 10^{-13}$ (90% C.L.), which is the most stringent limit to date. A ten-fold larger sample of data is being collected during the years 2022-2023, and data-taking will continue in the coming years.

研究の動機と目的

• MEG II実験の最初の物理学データセットを用いて、レプトンフラバー破綻崩壊 μ+ → e+γ の探索を行う。
• 元のMEG実験と比較して向上した検出器の分解能および効率を活用し、μ+ → e+γ の分岐比に対する新たな上限を設定する。
• MEG II 2021年の結果を最終的なMEGデータセットと統合し、μ+ → e+γ 分岐比に対する、これまでで最も厳しい制約を達成する。
• ブラインド解析、擬似実験、およびサイドバンド領域における一貫性チェックを通じて、解析手法の妥当性を検証する。

提案手法

• 2021年に収集された7週間分のMEG IIデータに対して、信号候補を特定するためにブラインドで最大尤度解析を実施した。
• 信号およびバックグラウンドのモデル化には、サイドバンド領域からの正規化制約を組み込んだ尤度関数を用い、バックグラウンド寄与を推定した。
• 時間飛行およびエネルギー損失の情報を利用して、e+γ最終状態を再構築し、バックグラウンドを抑制した。
• 系統的不確実性は、信号領域の周辺における時間サイドバンドでの一貫性チェックおよび擬似実験を通じて評価した。
• MEG IIの結果は、簡略化された尤度結合法を用いて最終的なMEGデータセットと統合した。負の対数尤度比のしきい値を設定することで、Feldman–Cousins手法を近似した。
• 結合尤度曲線のしきい値を超過する方法を用いて、90%信頼水準での結合上限を決定した。

Figure 1: A sketch of the MEG II detector with a simulated $\mathrm{\muup^{+}\to e^{+}\gammaup}$ event.

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 最初のMEG IIデータセットを用いた、珍しい崩壊 μ+ → e+γ の分岐比に対する最も厳しい上限は何か？
• RQ2 2021年のMEG IIデータの感度は、改善された検出器性能を考慮した場合、完全なMEGデータセットと比べてどうか？
• RQ3 MEG II 2021年のデータを最終的なMEG結果と統合した場合、𝒟(μ+ → e+γ) の上限は何か？
• RQ4 サイドバンドチェックおよび擬似実験を通じて検証された解析手法の妥当性はどの程度か？

主な発見

• MEG II実験では、μ+ → e+γの探索において、期待されるバックグラウンドを超える顕著な過剰事象は観測されなかった。
• 2021年のデータを用いて、90%信頼水準での上限 𝒟(μ+ → e+γ) < 7.5 × 10−13 が確立された。
• 最終的なMEG結果と組み合わせることで、上限は90%信頼水準で 𝒟(μ+ → e+γ) < 3.1 × 10−13 にまで低下した。
• 結合上限は、期待される感度 4.3 × 10−13 と整合しており、より厳しい上限が得られる確率は30%であった。
• 時間サイドバンドにおける一貫性チェックおよび擬似実験を通じて、解析手法の堅牢性と信頼性が確認された。
• MEG II共同研究グループは、2023年までに統計量が10倍に増加すると予想しており、2026年までには20倍以上に増加する見込みである。感度は約 6.0 × 10−14 を目指している。

Figure 2: Distribution of the $90\text{\,}\mathrm{\char 37\relax}$ C.L. upper limits computed for an ensemble of pseudo-experiments with a null-signal hypothesis. The sensitivity is calculated as the median of the distribution to be ${\cal S}_{90}=$8.8\text{\times}{10}^{-13}$$ . The sensitivity is i