[論文レビュー] Search for a feebly interacting particle $X$ in the decay $K^{+} ightarrowπ^{+}X$

NA Collaboration|arXiv (Cornell University)|Nov 23, 2020

Particle physics theoretical and experimental studies被引用数 9

ひとこと要約

この論文は、CERNのNA62実験が2017年に取得したデータを用いて、$K^{+} \to \pi^{+}X$ の崩壊における長寿命で弱く相互作用する粒子$X$の探索を報告している。$K^{+} \to \pi^{+} \nu\bar{\nu}$の解析を再解釈することで、154–260 MeV/$c^2$の質量範囲において、以前の制約を10倍以上改善した、新たな競争力のある分岐比の上限を設定した。また、5 nsを超える寿命を持つ場合、90%信頼水準で$5 \times 10^{-11}$の感度に達した。

ABSTRACT

A search for the $K^{+} ightarrowπ^{+}X$ decay, where $X$ is a long-lived feebly interacting particle, is performed through an interpretation of the $K^{+} ightarrowπ^{+}ν\barν$ analysis of data collected in 2017 by the NA62 experiment at CERN. Two ranges of $X$ masses, $0$-$110\, ext{MeV}/c^{2}$ and $154$-$260\, ext{MeV}/c^{2}$, and lifetimes above $100\, ext{ps}$ are considered. The limits set on the branching ratio, $ ext{BR}(K^{+} ightarrowπ^{+}X)$, are competitive with previously reported searches in the first mass range, and improve on current limits in the second mass range by more than an order of magnitude.

研究の動機と目的

• 既存のNA62データを用いて、$K^{+} \to \pi^{+}X$ の稀な崩壊における長寿命で弱く相互作用する粒子$X$の探索を目的とする。
• 特に154–260 MeV/$c^2$の質量範囲において、分岐比$\text{BR}(K^{+} \to \pi^{+}X)$の既存の実験的制約を改善することを目的とする。
• 標準模型を超える物理学の代表的モデル、例えばヒッグスと混合するダークスカラーと、軸子様粒子（ALPs）の制約を目的とする。
• $K^{+} \to \pi^{+} \nu\bar{\nu}$の解析フレームワークを用いて、$X$媒介崩壊のシグナルを再解釈し、高精度なトラッキングとバーテックス再構築の利点を活用することを目的とする。

提案手法

• この解析は、NA62の2017年データ走査で得られた$K^{+} \to \pi^{+} \nu\bar{\nu}$イベント選別および再構築フレームワークを再利用する。
• 長寿命の$X$粒子が$K^{+} \to \pi^{+}X$で生成され、その後崩壊する場合のずれバーテックスを特定するために、専用のバーテックス再構築アルゴリズムを適用する。
• 背景は制御領域とモンテカルロシミュレーションから推定され、合計で2件の候補イベントが観測され、期待される背景と整合的であった。
• 90%信頼水準での$\text{BR}(K^{+} \to \pi^{+}X)$の上限は、プロファイル尤度法を用いて設定された。
• 結果は、2つのベンチマークモデルの文脈で解釈された：ヒッグスボソンと混合するダークスカラー$S$（BC4モデル）と、フェルミオン的結合を持つ軸子様粒子（ALP）（BC10モデル）。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 質量範囲0–110 MeV/$c^2$および154–260 MeV/$c^2$における、長寿命で弱く相互作用する粒子$X$の分岐比$\text{BR}(K^{+} \to \pi^{+}X)$の現在の制約は何か？
• RQ2 NA62の新しい制約は、154–260 MeV/$c^2$範囲で、以前の探索と比べてどのように異なるか？
• RQ3 $K^{+} \to \pi^{+}X$崩壊は、ダークマターまたは隠れたセクター（例えばBC4およびBC10モデル）のモデルをどの程度制約できるか？
• RQ4 NA62の$K^{+} \to \pi^{+} \nu\bar{\nu}$解析フレームワークは、長寿命$X$粒子からのずれバーテックス探索に効果的に再利用可能か？

主な発見

• $K^{+} \to \pi^{+}X$の探索において、背景と整合的な2件の候補イベントが観測され、顕著な過剰は認められなかった。
• $X$の質量が160–250 MeV/$c^2$で、寿命が5 nsを超える場合、$\text{BR}(K^{+} \to \pi^{+}X)$の上限は90%信頼水準で$5 \times 10^{-11}$に達した。
• 154–260 MeV/$c^2$の質量範囲において、以前の制約を10倍以上改善した。
• 特に$m_S \sim 160$–$250$ MeV/$c^2$の範囲で、ヒッグスと混合するダークスカラー$S$のBC4モデルに対する、これまでで最も厳しい制約を提供した。
• 軸子様粒子（ALP）のBC10モデルでは、特に長寿命のALPに対して、結合定数$g_Y$と$m_a$のパラメータ空間に対する新たな制約を設定した。
• この解析は、高精度な稀崩壊測定の再解釈を通じて、NA62実験が長寿命で弱く相互作用する粒子に対して高い感度を持つことを示した。