[論文レビュー] Review of Nucleon Decay Searches at Super-Kamiokande

Volodymyr Takhistov|arXiv (Cornell University)|May 10, 2016

Particle physics theoretical and experimental studies参考文献 18被引用数 39

ひとこと要約

この論文は、スーパーキャンプの水チェレンコフ検出器を用いて、306キロトン・年という露出量をもとに、陽子および中性子崩壊モードに対する世界で最も厳しい制限を設定する陽 nucleon 衰えの探索をレビューしている。寿命の上限は10³²〜10³⁴年という範囲に設定され、大統一理論およびバリオジェネシスモデルにおける広大なパラメータ空間を除外する。

ABSTRACT

Baryon number violation appears in many contexts. It is a requirement for baryogenesis and is a consequence of Grand Unified Theories (GUTs), which predict nucleon decay. Nucleon decay searches provide the most direct way to test baryon number conservation and also serve as a unique probe of GUT scale physics around $10^{14-16}$ GeV. Such energies cannot be reached directly by accelerators. However, they can be explored indirectly at large underground water Cherenkov (WC) experiments, which due to the size of their fiducial volume are highly sensitive to nucleon decays. We review searches for baryon number violating processes at the state of the art WC detector, the Super-Kamiokande. Analyses of the typically dominant non-SUSY and SUSY nucleon decay channels such as $p ightarrow (e^+, μ^+) π^0$ and $p ightarrow νK^+$, as well as more exotic searches, will be discussed. Presented studies set the world's best limits, which circumvent the allowed parameter space of theoretical models

研究の動機と目的

• 陽子数保存の検証と、標準模型を超える素粒子物理学の探求を、陽 nucleon 衰えを通じて行う。
• 大規模な地下水チェレンコフ検出器を用いて、陽子および中性子崩壊モードに対する、最も厳しい実験的制限を設定すること。
• GUTスケールエネルギー（約10¹⁴〜10¹⁶ GeV）で予測される崩壊チャネルを探索することで、大統一理論（GUTs）およびバリオジェネシスモデルを制約すること。
• 非超対称（non-SUSY）および超対称（SUSY）モードを含む複数の崩壊チャネルを分析し、核効果およびバックグラウンドを考慮することで感度を向上させること。

提案手法

• 1km地下に位置する50キロトンの水チェレンコフ検出器（22.5キロトンのフィducialボリュームを有する）であるスーパーキャンプ検出器を用いた。
• 荷電粒子および光子からのチェレンコフ光パターンを再構築し、e⁺/μ⁺、π⁰、K⁺、および不可視最終状態を含む崩壊の兆候を同定した。
• 完全に閉じたイベント、特にショーワーイング（e様）または非ショーワーイング（μ様）のリング形状を持つイベントを分離するためのイベント選別基準を適用した。
• 信号およびバックグラウンドをモデル化するために、フェルミ運動量、核結合、および核子間相関を組み込んだモンテカルロシミュレーションを用いた。
• 不可避なバックグラウンドを推定するために、NEUTおよびHondaのフラックスモデルを用いた大気ニュートリノバックグラウンドのシミュレーションを実施した。
• データに対して尤度関数フィットを実行し、観測されたイベント数とバックグラウンドの期待値を比較することで、90%信頼水準（C.L.）における陽 nucleon 衰え寿命の下限を導出した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 大統一理論の文脈において、陽子および中性子崩壊モードに対する最も厳しい実験的制限は何か？
• RQ2 スーパーキャンプの陽 nucleon 衰え探索結果は、バリオジェネシスおよびGUTモデルのパラメータ空間をどのように制約するか？
• RQ3 核効果および検出器の応答が、陽 nucleon 衰えチャネルへの感度に及ぼす影響はどの程度か？
• RQ4 不可視粒子や特異な最終状態を含むさまざまな崩壊モードにおいて、現在の制限はどのように比較されるか？
• RQ5 今後の実験で期待される改善は何か？そしてそれらはどのように陽 nucleon 衰え感度を向上させるか？

主な発見

• 陽子崩壊モード $p \rightarrow e^+\pi^0$ に対する世界最高の90% C.L.下限は $1.7 \times 10^{34}$ 年である。
• $p \rightarrow \mu^+\pi^0$ に対しては、90% C.L.下限が $7.8 \times 10^{33}$ 年であり、SUSYおよび非SUSY GUTモデルに対するきびしい制限を設定している。
• $p \rightarrow \nu K^+$ および $p \rightarrow \mu^+ K^0$ の制限はそれぞれ $6.6 \times 10^{33}$ 年であり、GUTのパラメータ空間の広大な領域を除外している。
• $p \rightarrow e^+\eta$ および $p \rightarrow \mu^+\eta$ といった特異なモードに対しては、それぞれ $4.2 \times 10^{33}$ 年および $1.3 \times 10^{33}$ 年の制限が設定された。
• 不可視最終状態を伴う $p \rightarrow e^+\nu\nu$ および $p \rightarrow \mu^+\nu\nu$ モードは、それぞれ $1.7 \times 10^{32}$ 年および $2.2 \times 10^{32}$ 年に制限された。
• 中性子崩壊モード $n \rightarrow e^+\pi^-$ および $n \rightarrow \mu^+\pi^-$ は、それぞれ $2.0 \times 10^{33}$ 年および $1.0 \times 10^{33}$ 年に制限された。