[論文レビュー] Search for the dark photon in $π^0$ decays

CERN NA collaboration|arXiv (Cornell University)|Apr 2, 2015

Particle physics theoretical and experimental studies被引用数 27

ひとこと要約

本論文では、CERNのNA48/2実験で得られた1.69×10⁷個の完全再構成済みπ⁰ → γe⁺e⁻事象を用いて、π⁰ → γA′およびその後のA′ → e⁺e⁻崩壊におけるダークフォトン(A′)の探索を実施した。信号は観測されず、質量範囲9–70 MeV/c²において、運動的混合パラメータε²の最も厳密な上限が得られ、従来の制限を改善し、標準的な仮定の下でダークフォトンがミュオン(g−2)の異常を説明する解として排除された。

ABSTRACT

A sample of $1.69 imes 10^7$ fully reconstructed $π^0 oγe^+e^-$ decay candidates collected by the NA48/2 experiment at CERN in 2003--2004 is analysed to search for the dark photon ($A'$) production in the $π^0 oγA'$ decay followed by the prompt $A' o e^+e^-$ decay. No signal is observed, and an exclusion region in the plane of the dark photon mass $m_{A'}$ and mixing parameter $\varepsilon^2$ is established. The obtained upper limits on $\varepsilon^2$ are more stringent than the previous limits in the mass range $9~{ m MeV}/c^2

研究の動機と目的

• 稀な崩壊π⁰ → γA′に続く即時的なA′ → e⁺e⁻崩壊におけるダークフォトン(A′)の探索を目的とする。
• 質量範囲9–70 MeV/c²におけるダークフォトンの運動的混合パラメータε²の改善された上限を設定することを目的とする。
• K± → π±A′崩壊におけるA′生成に対するNA48/2実験の感度を評価することを目的とする。
• クォークに結合し、標準模型フェルミオンに崩壊するダークフォトンが、ミュオン(g−2)測定値の観察された乖離を説明する媒介粒子として妥当かどうかを検証することを目的とする。

提案手法

• CERNのNA48/2実験が2003–2004年に収集した1.69×10⁷個の完全再構成済みπ⁰ → γe⁺e⁻崩壊候補を分析した。
• 運動量再構成と頂点フィッティングを用いて、π⁰ → γA′に続くA′ → e⁺e⁻崩壊に一致する事象を同定した。
• 主なバックグラウンド、特に誤再構成された電子を伴うπ⁰ → γe⁺e⁻崩壊を抑制するための選別基準を適用した。
• 観測事象数と予想されるバックグラウンドを用いて、90%信頼水準におけるε²の上限を計算した。
• 運動的抑制およびバックグラウンドレベルを考慮して、K± → π±A′ → π±e⁺e⁻崩壊系列に対する感度を評価した。
• ダークフォトンの崩壊長を推定するため、L_max ≈ (E_max / m_A′) × cτ_A′ ≈ 0.4 mm × (10⁻⁶ / ε²) × (100 MeV/c² / m_A′)²の関係を用い、トリガー損失が無視できるようにした。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 ダークフォトンは、π⁰ → γA′に続く即時的なA′ → e⁺e⁻崩壊において生成可能であり、その混合パラメータε²の上限は何か？
• RQ2 本研究のπ⁰崩壊チャンネルからの新たな上限は、メソン崩壊、ビームダンプ、e⁺e⁻衝突機からの既存の制限と比較してどう異なるか？
• RQ3 クォークに結合し、標準模型フェルミオンに崩壊するダークフォトンが、クォークとフェルミオンに結合する仮定の下で、ミュオン(g−2)測定値の乖離を説明する妥当な媒介粒子であるか？
• RQ4 NA48/2実験はK± → π±A′ → π±e⁺e⁻崩壊系列に対してどの程度の感度を持ち、既存の制限と比較してどうか？

主な発見

• π⁰ → γA′ → e⁺e⁻崩壊チャンネルにおいてダークフォトンの信号は観測されず、運動的混合パラメータε²の新たな上限が得られた。
• 質量範囲9–70 MeV/c²において、従来の結果よりもより厳密なε²の上限が得られ、最小の上限はε²m_A′² = 3×10⁻⁵ MeV²/c⁴に達した。
• 除外領域は、クォークに結合し、主に標準模型フェルミオンに崩壊するダークフォトンがミュオン(g−2)の異常を媒介する可能性を排除した。
• NA48/2実験がK± → π±A′ → π±e⁺e⁻崩壊系列に対して期待される感度は、質量範囲140 MeV/c² < m_A′ < 2m_μにおいて90%信頼水準でε² ≈ (0.8–1.1)×10⁻⁵であるが、既存の制限と比較して競争力がない。
• 感度が最も高い領域では、ダークフォトンの最大崩壊長が約10 cmと推定され、長い崩壊経路のためトリガーおよび再構成効率の損失は無視できるほど小さかった。
• 不可避なπ⁰ → γe⁺e⁻バックグラウンドが感度を制限し、達成されたε²の上限は、1イベント感度よりも2〜3桁大きい値であった。