[論文レビュー] Kaon programme at CERN: recent results

E. Goudzovski|arXiv (Cornell University)|Nov 11, 2011

Particle physics theoretical and experimental studies被引用数 7

ひとこと要約

本論文は、電子とニュートリノへの崩壊率比 $ R_K = \Gamma(K^{\pm} \to e^{\pm}\nu)/\Gamma(K^{\pm} \to \mu^{\pm}\nu) $ の、これまでで最も精度の高い測定を報告し、$ R_K = (2.488 \pm 0.010) \times 10^{-5} $ の結果を得た。これは標準模型と整合的である。また、CERNのNA62およびNA48/2実験のデータを用いて、レプトン数破れ崩壊 $ K^{\pm} \to \pi^{\mp}\mu^{\pm}\mu^{\pm} $ の90%信頼水準における改善された上限 $ 1.1 \times 10^{-9} $ を確立した。

ABSTRACT

Searches for lepton flavour and lepton number violation in kaon decays by the NA48/2 and NA62 experiments at CERN are presented. A precision measurement of the helicity-suppressed ratio RK of the K --> e nu and K --> mu nu decay rates has been performed using the full data set collected by the NA62 collaboration in 2007. The data sample amounted to 145,958 reconstructed K --> e nu candidates with 11.0% background contamination. The result is RK = (2.488 +- 0.010) X 10^{-5}, which is in agreement with the Standard Model expectation. An improved upper limit on the lepton number violating K+- --> pi-+ mu+- mu+- decay rate is also presented.

研究の動機と目的

• ヒッグス項の抑制を受ける $ R_K $ 確率比の最も精密な測定を実施し、レプトンフラバー普遍性の検証と新しい物理学の探査を目的とする。
• 特に $ K^{\pm} \to \pi^{\mp}\mu^{\pm}\mu^{\pm} $ 崩壊モードを通じて、レプトン数の破れを探索する。
• レアなカイオン崩壊の精密測定を通じて、2HDM（二重ヒッグスダブルレット）モデルおよびR-パリティ破れ超対称的状況を制約する。
• バックグラウンド寄与を低減し、粒子識別効率を向上させることで、レプトンフラバー破れの感度を向上させる。
• CERN SPSのデータを用いて、将来的な高精度実験のベンチマークを提供する。

提案手法

• $ R_K $ 測定は、$ K_{e2} $ および $ K_{\mu 2} $ の候補数の比率に基づく手法を用い、検出器効率、受容域、トリガー効果の補正を加えた。
• 粒子識別には液体キryptonカリメーターにおける $ E/p $ 比を用い、電子では $ 0.95 < E/p < 1.1 $、ミューオンでは $ E/p < 0.85 $ を満たす。
• バックグラウンドはモンテカルロシミュレーションを用いて推定され、特に $ K_{e2} $ におけるミューオンの誤識別を検証するための制御データサンプルを用いて検証された。
• $ K^{\pm} \to \pi^{\mp}\mu^{\pm}\mu^{\pm} $ 崩壊の探索は、運動量の欠落がない3トラック頂点の再構成、インヴァリアント質量再構成、バックグラウンドモデル化を用いて実施された。
• 系統的不確実性は、粒子識別、受容域、アライメント、トリガー効率のクロスチェックを通じて評価され、幾何的受容域の保守的推定値15.4%を用いた。
• 分岐比の上限は、ポアソンベースの統計モデルと90%信頼水準基準を用い、バックグラウンド不確実性を慎重に伝搬させた。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 最も精密な $ R_K $ 確率比の値は何か？ そして、これは標準模型の予測とどのように比較されるか？
• RQ2 $ K^{\pm} \to \pi^{\mp}\mu^{\pm}\mu^{\pm} $ 崩壊は観測可能か？ これはレプトン数の破れに何を示唆するか？
• RQ3 測定結果は、2ヒッグスダブルレットモデルおよびR-パリティ破れ超対称的状況をどのように制約するか？
• RQ4 特に誤識別および受容域補正の影響を含む、検出器の系統的不確実性が $ R_K $ 測定の最終的精度に与える影響は何か？
• RQ5 改善されたバックグラウンドモデリングは、レプトン数破れカイオン崩壊への感度にどのように影響するか？

主な発見

• $ R_K $ 測定値は $ (2.488 \pm 0.010) \times 10^{-5} $ であり、標準模型の予測値 $ (2.477 \pm 0.001) \times 10^{-5} $ と非常に良好に一致している。
• 統計的不確実性は $ \pm 0.007 $、系統的不確実性も $ \pm 0.007 $ であり、両者が総不確実性に等しく寄与している。
• $ K_{e2} $ サンプルにおけるバックグラウンド混入率は $ 10.95 \pm 0.27\% $ であり、最大の寄与は誤識別されたミューオンを伴う $ K_{\mu 2} $ 崩壊による。
• $ K^{\pm} \to \pi^{\mp}\mu^{\pm}\mu^{\pm} $ 崩壊には有意な信号は観測されず、観測されたイベント数は52、バックグラウンド推定値は $ 52.6 \pm 19.8 $ イベントであった。
• 分岐比の上限は90%信頼水準で $ 1.1 \times 10^{-9} $ であり、以前の最良の上限と比較して約3倍の改善が達成された。
• 分析は、$ \pi^\mu\mu $ 終状態に対して保守的な幾何的受容域推定値15.4%を達成しており、モデル化の不確実性に対して堅牢であることが保証された。