[論文レビュー] New Results on Rare and Forbidden Semileptonic $K^+$ Decays

P. Truoel|ArXiv.org|Dec 5, 2000

Particle physics theoretical and experimental studies被引用数 3

ひとこと要約

本論文は、ブルークヘンのAGSで実施されたE865実験を用いて、レアで禁止された半レプトン的 $K^+$ 衰えの高精度測定を提示しており、$K^+ \to \pi^+\mu^+e^-$ におけるレプトンフレーバー不変性の破れに対する感度が向上し、$K_{e4}$ 衰えからの $s$-波 $\pi\pi$ 散乱長の新たな高精度値が抽出された。結果は、ちくるばりんの理論に対する強い制約を提供し、次次のオーダーの予測を高い精度で確認した。

ABSTRACT

Experiment E865 at the Brookhaven AGS was set up primarily to search for the lepton flavour violating decay $K^+ o π^+μ^+e^-$ ($K_{πμe}$) with high sensitivity. The flexibility of the apparatus allowed also to obtain more than an order of magnitude larger than previously available event samples on the following decay modes: $ π^+e^+e^- (K_{πee})$, $π^+μ^+μ^- (K_{πμμ})$, $π^+π^-e^+ν_e (K_{e4})$, $μ^+e^+e^-ν_μ$, and $e^+e^+e^-ν_e$. The report focusses on the $K_{πμe}$ results and those on other lepton flavour violating decays as well as the $K_{e4}$ data, from which a new, quite precise value for the s-wave $ππ$ scattering length can be deduced.

研究の動機と目的

• 従来の限界を超える感度で、$K^+ \to \pi^+\mu^+e^-$ のようなレプトンフレーバー不変性破れの衰えを探索すること。
• 高統計的サンプルを用いて、$K_{\pi ee}$、$K_{\pi\mu\mu}$、$K_{e4}$ のような稀な半レプトン的衰えを測定すること。
• モデルに依存しない解析を用いて、$K_{e4}$ 衰えから $s$-波 $\pi\pi$ 散乱長 $a_0^0$ を抽出すること。
• $K_{e4}$ 衰えからのフォーム因子および位相シフトの測定値を用いて、ちくるばりんの理論（ChPT）の予測を検証すること。
• フィットに際して、イベントごとの行列式要素補正を適用することで、フォーム因子抽出における系統的バイアスを低減すること。

提案手法

• ブルークヘンのAGSにおけるE865スペンダーメーターは、6 GeV/$c$ のビームを用い、5 mの崩壊体積内で $K^+$ 衰えを検出した。高精度な粒子識別および運動量分解能を備えていた。
• 荷電粒子は2つのドアブル磁石を用いて運動量分析され、4平面の比例チューブで追跡され、$\sigma_p/p^2 \approx 0.003$ の分解能を達成した。
• 電子識別は、4つのガス充填型チェレンコフカウンターおよびシャシュリク型電磁カロリメーターを用いて実施された。
• ミューオン識別は、鉄板の後ろに12平面の比例チューブを有するミューオンスタックを用いて強化された。
• トリガーは、$e^\pm$ 識別およびトポロジー制約を満たす3つの荷電粒子を要件として、複数の衰えモードにおける高統計的データ収集を可能にした。
• 観測されたイベント分布を28,800個の運動量領域に分け、$\chi^2$ 最小化手順によりモンテカルロシミュレーションと比較した。フォーム因子および位相シフトは、イベントごとの行列式要素の再重み付けにより抽出された。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 レプトンフレーバー不変性破れの衰え $K^+ \to \pi^+\mu^+e^-$ の分岐比は何か？ また、標準模型の予測と比較するとどうなるか？
• RQ2 $K_{e4}$ 衰えモード $K^+ \to \pi^+\pi^- e^+ \nu_e$ は、高精度で $s$-波 $\pi\pi$ 散乱長を抽出するのに用いることができるか？
• RQ3 $K_{e4}$ 衰えにおける測定されたフォーム因子および位相シフトは、次次のオーダーのちくるばりんの理論予測とどの程度一致するか？
• RQ4 $K_{e4}$ データ解析において、ユニバーサルバンド制約は $a_0^0$-$a_0^2$ 散乱長平面にどのような影響を与えるか？
• RQ5 初期運動量にフィットパラメータを直接適用することで、フォーム因子抽出における系統的バイアスはどの程度低減可能か？

主な発見

• 分岐比 $K^+ \to \pi^+\mu^+e^-$ に対する上限は $<3.9 \times 10^{-11}$ であり、従来の限界を著しく上回る改善がなされた。
• ユニバーサルバンド制約を適用した場合、$s$-波 $\pi\pi$ 散乱長は $a_0^0 = 0.228 \pm 0.012 \pm 0.003$ と決定された。制約なしでは $a_0^0 = 0.203 \pm 0.033 \pm 0.004$ であった。
• $K_{e4}$ 衰えにおけるフォーム因子 $F$ は、二次関数フィットで最もよく記述され、$f_s = 5.75 \pm 0.02 \pm 0.08$ および $f_s' = 1.06 \pm 0.10 \pm 0.40$ であった。
• フォーム因子 $G$ は線形フィットでよく記述され、$g_p = 4.66 \pm 0.47 \pm 0.07$ および $g_p' = 0.67 \pm 0.10 \pm 0.04$ であった。
• 位相シフトの差 $\delta_{0}^{0} - \delta_{1}^{1}$ が抽出され、データと比較された。その結果、ジェネヴァ・サクレイの結果と良好に一致した。
• 結果は、更新された二ループちくるばりんの理論予測と非常に良好に一致しており、低エネルギー領域における理論の有効性が確認された。