[論文レビュー] Search for dark photons from neutral meson decays in $p$$+$$p$ and $d$$+$Au collisions at $\sqrt{s_{_{NN}}}$=200 GeV

A. Adare, S. Afanasiev+579 more|arXiv (Cornell University)|Sep 2, 2014

Particle physics theoretical and experimental studies参考文献 2被引用数 9

ひとこと要約

本研究では、PHENIX検出器を用いて、√sNN = 200 GeV の p+p および d+Au 衝突において、中性メソンの崩壊から生成されるダークフォトンの探索を行った。ダークフォトンと光子の混合パラメータに対してきびしい制限を設定し、ミューオンの g−2 異常を説明するために必要な全パラメータ空間を 85% 統計的信頼水準で除外した。わずかに残存するのは 29 < mU < 32 MeV/c² の領域のみである。

ABSTRACT

The standard model (SM) of particle physics is spectacularly successful, yet the measured value of the muon anomalous magnetic moment $(g-2)_μ$ deviates from SM calculations by 3.6$σ$. Several theoretical models attribute this to the existence of a "dark photon," an additional U(1) gauge boson, which is weakly coupled to ordinary photons. The PHENIX experiment at the Relativistic Heavy Ion Collider has searched for a dark photon, $U$, in $π^0,η ightarrow γe^+e^-$ decays and obtained upper limits of $\mathcal{O}(2 imes10^{-6})$ on $U$-$γ$ mixing at 90% CL for the mass range $30

研究の動機と目的

• √sNN = 200 GeV の高エネルギー p+p および d+Au 衝突において、中性メソン崩壊から生じるダークフォトンの探索を目的とする。
• 質量範囲 30 < mU < 90 MeV/c² の範囲で、ダークフォトン–光子混合パラメータ (ε) の制限を求める。
• ダークフォトンが観測されたミューオンの異常磁気モーメント (g−2)μ の乖離を説明できるかどうかを検証する。
• より高い統計的精度のデータを用いて、KLOE、WASA、HADES、A1 実験の先行限界を改善する。
• 理論的に好ましい結合強度が (g−2)μ を説明するために必要なものと、観測データと整合するかを評価する。

提案手法

• √sNN = 200 GeV の p+p および d+Au 衝突からの高統計的データを、PHENIX 実験から分析する。
• 新設されたシリコンバーテックス検出器を用いて、ダークフォトンが e⁺e⁻ ペアに崩壊する際に生じるずれた頂点を同定する。
• 運動量再構築とインバリアント質量解析を適用し、ダークフォトン崩壊に一致する e⁺e⁻ ペアを同定する。
• 観測データと、ダークフォトンが光子に結合する場合の期待信号を比較する統計的仮説検定を実施する。
• さまざまな信頼水準（CL）における U–γ 混合パラメータ (ε) の上限を計算する。85% および 90% CL を含む。
• 理論的予測（(g−2)μ 異常用）と、BaBar、A1(MAMI)、KLOE、WASA、HADES 実験の既存の実験的限界と結果を比較する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 p+p および d+Au 衝突において、質量 30 から 90 MeV/c² の範囲で、ダークフォトン–光子混合パラメータ (ε) の上限は何か？
• RQ2 ダークフォトンは、PHENIX データの制約のもとで、観測された (g−2)μ 異常を説明できるか？
• RQ3 PHENIX の結果は、KLOE、WASA、HADES、A1(MAMI)、BaBar 実験の先行限界とどのように比較されるか？
• RQ4 理論的に (g−2)μ を説明するために必要な結合強度と、PHENIX の観測データとの統計的整合性はどの程度か？
• RQ5 今後の PHENIX 分析において、データ量の増加とより優れた頂点検出技術を用いることで、どの程度感度が向上するか？

主な発見

• PHENIX データは、(g−2)μ 異常を説明するために必要な全パラメータ空間を 85% 信頼水準で除外した。
• PHENIX と BaBar の結果を統合した結果、90% 信頼水準で 29 < mU < 32 MeV/c² の狭い領域のみが生存可能な領域となった。
• 統計的検定の結果、(g−2)μ を説明するために必要な結合強度が PHENIX データと整合する確率はたったの 10% であった。
• 本研究は、質量範囲 30 < mU < 90 MeV/c² において、KLOE、WASA、HADES、A1 実験の先行限界を改善した。
• 2011 年の PHENIX シリコンバーテックス検出器のアップグレードによる高統計的データセットのおかげで、弱く崩壊するダークフォトンの検出感度が向上した。
• 将来の解析では、より優れた検出器技術とより大きなデータセットを用いることで、ダークフォトン結合に対する限界をさらに厳しくする見込みである。