[論文レビュー] NA48/2 studies of rare decays

M. Raggi|arXiv (Cornell University)|Aug 6, 2015

Particle physics theoretical and experimental studies被引用数 9

ひとこと要約

NA48/2実験は、1916個の候補と3%未満のバックグラウンド汚染を伴い、$K^{\pm} \to \pi^{\pm}\pi^{0}e^{+}e^{-}$の稀な崩壊の最初の観測を報告した。この崩壊の分岐比は$(4.06 \pm 0.17) \times 10^{-6}$に測定された。また、10–125 MeV/$c^2$の質量範囲において、ダークフォトン混合パラメータ$\varepsilon^2$の90%信頼水準における予備的な上限を設定し、従来の制約を改善した。さらに、運動的混合の仮定の下で、10–100 MeV/$c^2$の範囲において、ダークフォトンがミュオン$g-2$の異常を説明する解として排除された。

ABSTRACT

The first observation of about 2000 candidates, with a background contamination below 3%, of the rare decay $K^{\pm} o π^{\pm}π^{0}e^+e^-$ is reported by the NA48/2 experiment. The preliminary branching ratio in the full kinematic region is obtained to be: ${\cal B}(K^{\pm} o π^{\pm}π^{0}e^+e^-)=(4.06\pm0.17)\cdot10^{-6}$ by analyzing the data collected in 2003. A sample of $4.687 imes 10^6$ $K^\pm oπ^\pmπ^0_D$, decay candidates with a negligible background contamination collected in 2003-04 is analyzed to search for the dark photon ($A'$) via the decay chain $K^\pm oπ^\pmπ^0$, $π^0 oγA'$, $A' o e^+e^-$. No signal is observed, and preliminary limits in the plane dark photon mixing parameter $\varepsilon^2$ versus its mass $m_{A'}$ are reported.

研究の動機と目的

• 仮想光子の交換と内部変換による$e^{+}e^{-}$生成を伴う、珍しい$K^{\pm} \to \pi^{\pm}\pi^{0}e^{+}e^{-}$崩壊を観測し、パリティ破れの観測量を調べる。
• 標準模型の拡張を検証するため、$K^{\pm} \to \pi^{\pm}\pi^{0}$、$\pi^{0} \to \gamma A'$、$A' \to e^{+}e^{-}$の崩壊チェーンを通じたダークフォトン($A'$)の探索。
• 10–125 MeV/$c^2$の質量範囲におけるダークフォトン混合パラメータ$\varepsilon^2$の制約を強化し、特にミュオン$g-2$の異常を解消する文脈での意義を明確にする。
• 運動学的およびインヴァリアント質量カットを用いて、$K_{3\pi D}$および$K_{2\pi D}$崩壊からのバックグラウンド汚染を低減し、高い信号純度を確保する。

提案手法

• イベント再構築では、3つの荷電粒子（2つの電子/陽電子と1つのパイオン）と、PDGの$\pi^0$質量から$\pm 10$ MeV/$c^2$の範囲内でインヴァリアント質量再構築によって$\pi^0$を形成する2つの光子を特定する。
• 粒子識別は液体クリストロン・カリメータでの$E/p$比に基づく：電子/陽電子では$E/p > 0.85$、パイオンでは$E/p < 0.85$。
• バックグラウンド抑制には運動的カットを用いる：$K_{3\pi D}$イベントを除外するため$M_{\pi^{+}\pi^{0}}^2 > 120$ MeV$^2/c^4$、$K_{2\pi D}$イベントを除外するため$M_{ee\gamma} > 7$ MeV/$c^2$（$\pi^0$質量からのずれ）。
• ダークフォトン探索では、10–125 MeV/$c^2$の範囲で398の仮説について質量スキャンを実施し、各質量に対して$\pm 1.5\sigma_m$の信号ウィンドウを設定。最適化はモンテカルロシミュレーションを用いて行う。
• $\varepsilon^2$の上限は、ポisson統計に適したRolke–López法を用いて計算され、$\mathcal{B}(A' \to e^{+}e^{-}) = 1$を仮定し、トリガの非効率性と受容率の補正を施した。
• 受容率は、$\pi^0_{\rm D}$バックグラウンド用に生成したモンテカルロ標本を用いて評価され、$e^{+}e^{-}$の静止系における角度分布が、無視できる放射補正を除き同一であるため。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 珍しい崩壊$K^{\pm} \to \pi^{\pm}\pi^{0}e^{+}e^{-}$の分岐比は何か？ また、パリティ破れ相互作用の検証においてどのような意味を持つのか？
• RQ2 NA48/2実験は、崩壊チェーン$K^{\pm} \to \pi^{\pm}\pi^{0} \to \pi^{\pm}\gamma A' \to \pi^{\pm}\gamma e^{+}e^{-}$において、ダークフォトン$A'$の信号を観測できるか？
• RQ3 10–125 MeV/$c^2$の質量範囲におけるダークフォトン混合パラメータ$\varepsilon^2$の最も厳しい制約は何か？ 既存の制約と比較するとどうか？
• RQ4 観測されたデータは、ダークフォトンがミュオン$g-2$測定値の乖離を説明する可能性を支持するか？

主な発見

• NA48/2実験は、1916個の信号候補と3%未満のバックグラウンド汚染を伴い、$K^{\pm} \to \pi^{\pm}\pi^{0}e^{+}e^{-}$崩壊の最初の観測を報告した。
• 予備的な分岐比は$(4.06 \pm 0.17) \times 10^{-6}$に測定され、$K^{\pm} \to \pi^{\pm}\pi^{0}\gamma$測定に基づく理論予測と整合的である。
• $K^{\pm} \to \pi^{\pm}\pi^{0} \to \pi^{\pm}\gamma A' \to \pi^{\pm}\gamma e^{+}e^{-}$崩壊チェーンにおいて、ダークフォトンの信号は観測されなかったため、90%信頼水準における$\varepsilon^2$の上限が得られた。
• この上限は、10–60 MeV/$c^2$の質量範囲において、従来の結果を改善しており、特にミュオン$g-2$の異常を解消する文脈で顕著である。
• 運動的混合の仮定と、標準模型粒子への主要崩壊を仮定した場合、NA48/2の結果は、10–100 MeV/$c^2$の質量範囲において、ダークフォトンがミュオン$g-2$の異常を説明する解として排除されたことを示している。
• $\mathcal{B}(\pi^{0} \to \gamma A')$の上限は$10^{-6}$のオーダーであり、$m_{A'}$に弱い依存性を示す。これは、低下する受容率とバックグラウンドの揺らぎの間でキャンセルが生じるためである。