[論文レビュー] Forbidden Kaon and Pion Decays in NA62

M. Moulson|arXiv (Cornell University)|Jun 14, 2013

Particle physics theoretical and experimental studies参考文献 1被引用数 3

ひとこと要約

NA62はCERNのSPSで、高精度な検出器を用いて10^13個のK+崩壊を2年間で分析し、禁止された中間子およびπ中間子崩壊の探索を計画している。高度な追跡、粒子同定、光子遮断技術を駆使することで、レプトンのフレーバーおよび数の保存が破れる崩壊に対して、10^{-12}程度の単一イベント感度を達成し、標準模型を超える新しい物理学の制限を競争的に得られる。

ABSTRACT

NA62, an experiment at the CERN SPS to measure the branching ratio for the decay K+ -> pi+ nu nu-bar with ~10% precision, will observe ~10^13 K+ decays in its fiducial volume, and will thus also be able to carry out a rich program to search for forbidden K+ and pi0 decays, including in particular K+ decays that violate the conservation of lepton flavor and/or number. NA62's potential performance in searches for a number of forbidden K+ and pi0 decays is discussed, with initial sensitivity estimates.

研究の動機と目的

• レプトンのフレーバーおよび／または数の保存が破れるような、まれなもしくは禁止された中間子およびπ中間子崩壊の探索。
• K+ → π+ νν̄ や π⁰ → 隠れた最終状態のような、まれな崩壊の既存の実験的制限の改善。
• 高強度のK+ビームと高度な検出器性能を活用し、100 TeVスケールまでの新しい物理学を探索。
• 重い中性レプトン、Uボソン、ダークマター候補など、新しい物理学のシグネチャを、まれな崩壊を通じて探査。
• 隠れたπ⁰崩壊や、軽い中性粒子を含む異常な崩壊に対する、改善された制限の設定。

提案手法

• 2年間のデータ取得で、CERN SPSのNA62検出器を用いて約10^13個のK+崩壊を収集。
• 正確な追跡と粒子同定を用いて、バックグラウンドを抑圧し、まれな崩壊シグネチャを分離。
• 完全な光子遮断（LKrコメトロメータとLAVを含む）を適用し、消失した光子に起因するバックグラウンドを低減。
• 運動量フィットとエネルギー分解能（約1 MeV）を用いて、e+e−最終状態の信号同定を強化。
• レベル0およびレベル1のトリガー戦略を実装し、トラック品質や角度カットを用いて、π⁰ → γγのバックグラウンドを抑制。
• 運動量（pπ⁺, θπ⁺）空間における運動学的カットを実施し、低エネルギー・大角度光子を除外し、π⁰の遮断効率をベースラインの10^{-8}から10倍向上。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 NA62は、K+ → π+ e±μ∓ などのレプトンのフレーバー破れを示すK+崩壊に対して、どの程度の感度を有するか？
• RQ2 特にπ⁰ → νν̄ や他の弱い相互作用を示す最終状態に対して、NA62は現在の隠れたπ⁰崩壊の制限を改善できるか？
• RQ3 NA62は、Uボソン媒介の崩壊（例：π⁰ → e+e−γ）をどの程度探査できるか？
• RQ4 NA62は、K+ → π+π⁰ で発生する隠れたπ⁰崩壊を、主要なK+ → π+νν̄信号からどの程度効果的に区別できるか？
• RQ5 NA62は、新しい規約ボソンや重いニュートリノを含む、100 TeVスケールの新しい物理学を予測するモデルを、まれな中間子およびπ中間子崩壊を通じてどの程度制限できるか？

主な発見

• NA62は、さまざまなレプトンのフレーバー破れを示すK+崩壊に対して、約10^{-12}の単一イベント感度を達成し、新しい物理学の競争的探索を可能にした。
• BR(π⁰ → 隠れ)の制限を約10^{-9}まで改善でき、現在の2.7×10^{-7}の制限よりも約100倍改善された。
• 年間約10^8個のπ⁰ → e+e−γ崩壊と1 MeVの質量分解能を活用し、NA62はWASA-at-COSYのBR(π⁰ → Uγ)の制限を少なくとも2桁以上改善できる。
• 運動学的カットと改善された光子遮断技術により、π⁰遮断効率がベースラインの10^{-8}から10倍向上し、隠れた崩壊の感度が向上した。
• NA62の性能により、新しい規約ボソンや重いニュートリノを含む、木構造モデルにおける新しい物理学スケールを約100 TeVまで探査可能となった。
• この実験は、電荷レプトンのフレーバー破れを含む、ミュオンのg−2異常を説明するモデル（例：超対称的拡張）をテストする上で好適な位置にある。