[論文レビュー] Dinucleon and Nucleon Decay to Two-Body Final States with no Hadrons in Super-Kamiokande

Kamiokande Collaboration, S. Sussman+168 more|arXiv (Cornell University)|Nov 29, 2018

Scientific Research and Discoveries参考文献 1被引用数 13

ひとこと要約

本論文は、0.37メガトン・年分のスーパーカミオカンデデータを用いて、ハドロンを伴わない最終状態を持つ10の2粒子核および二核子崩壊モードについて、これまでで最も厳しい部分寿命の上限を提示している。相関する系統的不確実性を考慮したベイズ解析を採用し、p→e⁺γに対しては>4.1×10³⁴年、p→μ⁺γに対しては>2.1×10³⁴年という下限を設定した。また、二核子モードのすべての上限は4×10³³年を超えており、従来の実験に比べ顕著な改善がなされた。

ABSTRACT

Using 0.37 megaton$\cdot$years of exposure from the Super-Kamiokande detector, we search for 10 dinucleon and nucleon decay modes that have a two-body final state with no hadrons. These baryon and lepton number violating modes have the potential to probe theories of unification and baryogenesis. For five of these modes the searches are novel, and for the other five modes we improve the limits by more than one order of magnitude. No significant evidence for dinucleon or nucleon decay is observed and we set lower limits on the partial lifetime of oxygen nuclei and on the nucleon partial lifetime that are above $4 imes 10^{33}$ years for oxygen via the dinucleon decay modes and up to about $4 imes 10^{34}$ years for nucleons via the single nucleon decay modes.

研究の動機と目的

• スーパーカミオカンデのデータを用いて、ハドロンを伴わない2粒子最終状態を持つ核および二核子崩壊モードの探索を行う。
• 特に、以前に制約がなかったモードについて、これまでの寿命の上限を改善することを目的とする。
• データセット全体にわたる完全に相関する系統的不確実性を考慮したベイズフレームワークを適用し、寿命の上限推定の信頼性を高めること。
• 10の特定の崩壊モードについて、これまでで最も厳しい部分寿命の上限を設定すること。特に、そのうち5つは初めて直接的な実験的制約が得られた。
• 標準模型を越えた物理学、特にバリオン数の破れを伴うシナリオに対する制約を更新すること。

提案手法

• 崩壊率の上限を計算するためにベイズ統計フレームワークを用い、露出量、効率、バックグラウンドの事前分布とガウス誤差を組み込む。
• 系統的不確実性は、スーパーカミオカンデのデータセット（SK-IからSK-IV）全体にわたって完全に相関するとみなす。露出量には1%の不確実性を仮定し、効率およびバックグラウンドには総合的なパーセント不確実性を適用する。
• 各データセットにおける観測された候補イベント数（n_i）、バックグラウンド推定値（b_i）、露出量（λ_i）、検出効率（ε_i）から、崩壊率Γの条件付き確率分布を導出する。
• 正の崩壊率を保証するとともに、すべての系統的相関を考慮し、式(2)の積分比を用いて90%信頼水準での寿命の上限を計算する。
• バックグラウンド寄与は、73の系統的不確実性要因（フラックス、断面積、エネルギーキャリブレーション誤差など）を含むイベント単位のデータベースでモデル化する。
• 大多数のモードではバックグラウンド推定にスペクトル関数フィットを用いるが、バックグラウンドが極めて少ないレアモードについては、慎重に100%の不確実性を適用する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 ハドロンを伴わない最終状態を持つ2粒子核および二核子崩壊モードについて、これまでで最も厳しい部分寿命の上限は何か？
• RQ2 特に、データセット間で相関する系統的不確実性は、寿命の上限推定の信頼性にどのように影響するか？
• RQ3 調査された10の崩壊モードの中で、以前に制約がなかったものはどれであり、それらの新しい上限は何か？
• RQ4 FréjusおよびIMB検出器からの従来の測定と比較して、感度および露出量正規化の観点から、新しい上限はどのように異なるか？
• RQ5 結果が、標準模型を越えたバリオン数の破れを伴うモデルをどの程度制約するか？

主な発見

• p→e⁺γ崩壊モードの部分寿命の上限は、90%信頼水準で1核子あたり4.1×10³⁴年と設定され、これまでの上限に比べ顕著な改善がなされた。
• p→μ⁺γ崩壊モードの部分寿命の上限は、1核子あたり2.1×10³⁴年まで達し、これもこれまでで最も厳しいものとなった。
• pp→e⁺e⁺、nn→γγ、pp→μ⁺μ⁺などの二核子崩壊モードすべてについて、酸素原子核あたり4.1×10³³年を超える部分寿命の上限が得られた。
• 調査された10のモードのうち5つ（pp→e⁺μ⁺やnn→e⁻μ⁺など）は、本分析によって初めて直接的な実験的制約が得られた。
• FréjusおよびIMB検出器からの従来の上限に比べ、核子崩壊の1核子あたり正規化において1桁以上も改善されており、特に核子崩壊の感度が向上した。
• 相関する系統的不確実性を考慮したベイズ手法の信頼性が、保守的かつ信頼できる崩壊率上限の導出に寄与していることが示された。