[論文レビュー] Rare Kaon and Pion Decays

L. Littenberg|arXiv (Cornell University)|Dec 4, 2002

Quantum Chromodynamics and Particle Interactions参考文献 2被引用数 3

ひとこと要約

本稿は、珍しい中性子およびパイオン崩壊における最近の実験的結果と今後の展望をレビューし、特に標準模型を超える物理学（BSM）のプローブとしての役割、特に軽レプトンフラバー不変性（LFV）とフレーバー変換型中性荷電流における新しい物理学を強調している。主な結果には、$K_{L}\to\mu e$ や $K^{+}\to\pi^{+}\mu^{+}e^{-}$ などのLFV崩壊の分岐比の上限が向上したことが含まれ、$K^{+}\to\ell^{+}\nu_{\ell}e^{+}e^{-}$ 崩壊におけるフォーム因子の高精度な測定があり、CKMユニタリティおよびチャイral摂動理論への影響がある。

ABSTRACT

Recent results on rare kaon and pion decays are reviewed and prospects for future experiments are discussed

研究の動機と目的

• 珍しい中性子およびパイオン崩壊に関する最近の実験的結果をレビューすること、特に標準模型を超える物理学に敏感なものに焦点を当てる。
• 珍しい崩壊が軽レプトンフラバー不変性（LFV）およびフレーバー変換型中性荷電流における新しい物理学にどの程度感度を持つかを評価すること。
• 珍しい崩壊がチャイral摂動理論（χPT）の検証およびCKM行列要素 $V_{ud}$ や $V_{td}$ の測定に果たす役割を評価すること。
• 今後の実験計画、特に $K^{+}\to\pi^{+}\nu\bar{\nu}$ および $K_{L}\to\pi^{0}\nu\bar{\nu}$ を概説し、ユニタリティ三角形の高精度なテストを目的としている。

提案手法

• ブルークヘブ国立研究所の高統計実験、AGS-865、AGS-871、E865 からの実験データの分析。
• $K^{+}\to\ell^{+}\nu_{\ell}e^{+}e^{-}$ 崩壊におけるフォーム因子を抽出するための尤度関数フィットの使用。共振子支配型フォーム因子挙動（例：$\rho(770)$、$K^{*}(892)$）を仮定。
• $\mathcal{O}(p^4)$ チャイral摂動理論およびパイオン崩壊データからの理論予測と、測定された分岐比およびフォーム因子の比較。
• 運動量再構成技術を用いて珍しい崩壊モードを同定し、$K^{+}\to\ell^{+}\nu_{\ell}e^{+}e^{-}$ に対しては欠損質量解析を実施。
• $K^{+}\to\pi^{+}\nu\bar{\nu}$ および $K_{L}\to\pi^{0}\nu\bar{\nu}$ 崩壊を $V_{td}$ およびユニタリティ三角形のクリーンなプローブとしての利用。
• $K_{L}\to\mu^{+}\mu^{-}$ および $K_{L}\to\gamma\ell^{+}\ell^{-}$ を用いて長距離寄与を評価し、分散振幅を制約。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 Lepton Flavor Violating中性子崩壊 $K_{L}\to\mu e$ や $K^{+}\to\pi^{+}\mu^{+}e^{-}$ の現在の実験的上限は何か。また、それらはどの新しい物理学スケールを探索するか。
• RQ2 $K^{+}\to\ell^{+}\nu_{\ell}e^{+}e^{-}$ 崩壊におけるフォーム因子が、新しい物理学モデルおよびチャイral摂動理論にどのように制約を加えるか。
• RQ3 $K^{+}\to\pi^{+}\nu\bar{\nu}$ や $K_{L}\to\pi^{0}\nu\bar{\nu}$ などの珍しい中性子崩壊が、ユニタリティ三角形およびCKM行列の一貫性に対してどの程度独立したテストを提供するか。
• RQ4 $K_{L}\to\mu^{+}\mu^{-}$ や関連する崩壊は、長距離寄与を解体し、$K\to\pi\nu\bar{\nu}$ の理論的予測を改善するのに役立つか。
• RQ5 パイオン崩壊 $\pi^{+}\to\pi^{0}e^{+}\nu_{e}$ が $V_{ud}$ の測定およびCKMユニタリティの検証に果たす役割は何か。

主な発見

• $m_{ee} > 150\,\text{MeV}$ の条件下で、$K^{+}\to e^{+}\nu_{e}e^{+}e^{-}$ の分岐比は $410$ 個の信号候補および $40$ 個のバックグラウンドを基に、$(2.48 \pm 0.14_{\text{stat}} \pm 0.14_{\text{syst}}) \times 10^{-8}$ として測定された。
• $m_{ee} > 145\,\text{MeV}$ の条件下で、$K^{+}\to\mu^{+}\nu_{\mu}e^{+}e^{-}$ の分岐比は $2679$ 個の信号候補および $514$ 個のバックグラウンドを基に、$(7.06 \pm 0.16_{\text{stat}} \pm 0.26_{\text{syst}}) \times 10^{-8}$ として測定された。
• ベクトルフォーム因子 $F_V$ は $112 \pm 15 \pm 10 \pm 3 \times 10^{-3}$ として抽出され、理論的期待値およびパイオンデータと整合的であった。
• 軸性ベクトルフォーム因子 $F_A$ は $35 \pm 14 \pm 13 \pm 3 \times 10^{-3}$ として測定され、$\mathcal{O}(p^4)$ χPT の予測と良好に一致した。
• テンソルフォーム因子 $F_T$ は $-4 \pm 7 \pm 7 \pm 0.4 \times 10^{-3}$ と求められ、ゼロと整合的であったが、非ゼロ寄与を完全に除外するには不十分であった。
• 比 $R = F_A / F_V$ は $227 \pm 13 \pm 10 \pm 9 \times 10^{-3}$ として測定され、理論的期待値およびパイオンデータと整合的であった。