[論文レビュー] Final Results of the MEG Experiment

T. Mori|arXiv (Cornell University)|Jun 27, 2016

Particle physics theoretical and experimental studies参考文献 1被引用数 9

ひとこと要約

MEG実験は、スイスの陽子サイクロトロン施設（PSI）で7.5×10¹⁴個の停止したミューオンを用いて、非常にまれな電荷を帯びたレプトンのフラーバー変換を伴う崩壊μ⁺ → e⁺γを探索し、90%信頼水準で4.2×10⁻¹³の感度限界を達成した。この結果は、従来の限界と比較して30倍も厳密であり、このような遷移を予測する超対称性の統一理論（SUSY GUT）や、標準模型を超える新しい理論的モデルを強く制限する。

ABSTRACT

Transitions of charged leptons from one generation to another are basically prohibited in the Standard Model because of the mysteriously tiny neutrino masses, although such flavor-violating transitions have been long observed for quarks and neutrinos. Supersymmetric Grand Unified Theories (SUSY GUT), which unify quarks and leptons as well as their forces, predict that charged leptons should also make such transitions at small but experimentally observable rates. The MEG experiment was the first to have explored one of such transitions, mu+ -> e+ gamma decays, down to the branching ratios predicted by SUSY GUT. Here we report the final results of the MEG experiment based on the full dataset collected from 2009 to 2013 at the Paul Scherrer Institut, corresponding to a total of 7.5 x 10^14 stopped muons on target. No excess for mu+ -> e+ gamma decays was found. Thus the most stringent upper bound was placed on the branching ratio, B(mu+ -> e+ gamma) < 4.2 x 10^-13 at 90% C.L., about 30 times tighter than previous experiments, and severely constrains SUSY GUT and other well-motivated theories. We are now preparing the upgraded experiment MEG II with an aim to achieve a sensitivity of 4 x 10^-14 after three years of data taking. It is expected to start late in 2017.

研究の動機と目的

• 未知の感度で、非常にまれな電荷を帯びたレプトンのフラーバー変換を伴う崩壊μ⁺ → e⁺γを探索すること。
• 観測可能な割合でこのような崩壊を予測する超対称性の統一理論（SUSY GUT）の予測を検証すること。
• 高エネルギースケールから電弱スケールへのローレンツ群の再正規化群の進化と、スレーマン・メカニズムを調べること。
• 特にニュートリノ質量生成に関連するレプトンのフラーバー変換違反を予測する理論に対する厳密なテストを行うこと。
• 今後の実験の基盤を築くために、MEG IIの準備を進めるための感度ベンチマークを確立すること。

提案手法

• PSIの陽子サイクロトロンから得られる高強度連続的μ⁺ビーム（10⁸ μ⁺/sec）を用いて、統計的精度を高めた。
• 5つの同心円状のコイルを備えた超伝導磁石を用いて、運動量が約52.8 MeVのポジトロンを焦点化・測定した。
• フォトンエネルギーを高分解能で測定するために、液体キセノンカルオリメータとフォトマルチプライヤー管を用いた。
• ヘリウムガスを用いた低物質的ドリフトチェンバーとシンチレーションタイルを組み合わせ、電子の運動量および時間分解能を高精度に達成した。
• 放射性ミューオン崩壊を特定するため、フォトンと低運動量ポジトロンの時間一致を用いたバックグラウンド抑制戦略を採用した。
• 2009年から2013年までのデータを用いて、尤度に基づく解析を実施し、信号成分とバックグラウンド成分をフィットさせ、上界を抽出した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 非常にまれな崩壊μ⁺ → e⁺γの分岐比は何か？ また、これは標準模型の予測を上回るか？
• RQ2 観測されたニュートリノ振動および小さなニュートリノ質量は、電荷を帯びたレプトンのフラーバー変換違反を媒介する新しい物理と関連しているか？
• RQ3 超対称性の統一理論（SUSY GUT）は、観測可能なμ⁺ → e⁺γ崩壊断面積をどの程度予測するか？
• RQ4 高エネルギースケール（例：10¹⁶ GeV）からの再正規化群の進化効果は、μ⁺ → e⁺γの分岐比にどのように影響するか？
• RQ5 ミューオンの異常磁気モーメント（g−2）の異常は、μ⁺ → e⁺γのようなレプトンのフラーバー変換違反過程と関連しているか？

主な発見

• 全MEGデータセットにおいて、信号イベントは観測されなかった。これは7.5×10¹⁴個の停止ミューオンに対応する。
• 90%信頼水準における分岐比の上界は4.2×10⁻¹³に設定され、これは従来の実験と比較して30倍も向上した。
• この結果により、上記の限界を超える分岐比を予測するSUSY GUTモデルの多くが排除された。
• 信号領域における測定されたバックグラウンド分布は、期待値と整合的であり、解析モデルの妥当性が裏付けられた。
• 上界は他のレプトンのフラーバー変換違反過程と同等の限界を示しており、μ⁺→3eおよびμ⁻N→e⁻Nの変換がμ⁺→e⁺γのレートに相当する。
• MEG IIのアップグレードは進行中であり、3年間のデータ取得で4×10⁻¹⁴の感度を達成することを目標としており、2017年に完全なエンジニアリングランが計画されている。