[論文レビュー] Searches for Lepton Number Violation and resonances in the $K^{\pm} o πμμ$ decays at the NA48/2 experiment

K. Massri|arXiv (Cornell University)|Jul 14, 2016

Particle physics theoretical and experimental studies被引用数 4

ひとこと要約

本論文は、CERNのNA48/2実験が2003年から2004年にかけて取得したデータを用いて、レプトン数破れ（LNV）崩壊および共鳴状の新しい物理学を、$K^{ ext{±}} \to \pi\mu\mu$ 崩壊において探索した。90%信頼水準において、LNV崩壊 $K^{ ext{±}} \to \pi^{ ext{∓}}\mu^{ ext{±}}\mu^{ ext{±}}$ の分岐比に対する新たな上限として $8.6 \times 10^{-11}$ を設定し、前回の上限を1桁以上改善した。また、100 ps未満の寿命をもつ重い中性レプトン $N_4$ やインフラトン $χ$ の共鳴状態における分岐比の積についても、$10^{-10}$ から $10^{-9}$ の範囲で上限を確立した。

ABSTRACT

The NA48/2 experiment at CERN collected a large sample of charged kaon decays into final states with multiple charged particles in 2003--2004. A new upper limit on the rate of the lepton number violating decay $K^{\pm} o π^{\mp} μ^{\pm} μ^{\pm}$ obtained from this sample is reported: $\mathcal{B}(K^{\pm} o π^{\mp} μ^{\pm} μ^{\pm})<8.6 imes 10^{-11}$ at 90\% CL. Searches for two-body resonances in the $K^{\pm} o πμμ$ decays (including heavy neutral leptons~$N_4$ and inflatons~$χ$) in the accessible range of masses and lifetimes are also presented. In the absence of a signal, upper limits are set on the products of branching ratios~$\mathcal{B}(K^{\pm} o μ^{\pm} N_{4})\mathcal{B}(N_{4} o π^{\mp}μ^{\pm})$ and $\mathcal{B}(K^{\pm} o π^{\pm} χ)\mathcal{B}(χ o μ^{+}μ^{-})$ as functions of the resonance mass and lifetime. These limits are in the $10^{-10}-10^{-9}$ range for resonance lifetimes below 100~ps.

研究の動機と目的

• 電弱理論模型（標準模型）では禁じられているレプトン数破れ（LNV）崩壊、特に $K^{\text{±}} \to \pi^{\text{∓}}\mu^{\text{±}}\mu^{\text{±}}$ の探索を目的とする。
• 重い中性レプトン ($N_4$) やインフラトン ($\chi$) などの新しい物理学の存在を、$K^{\text{±}} \to \pi\mu\mu$ 終状態における共鳴崩壊を通じて探る。
• LNVおよび共鳴崩壊モードの分岐比に対する改善された上限を設定し、$\nu$ MSM やスカラー拡張モデルなどの理論的枠組みに対する制約を与える。
• 将来のNA62実験が高精度でレアなカイオン崩壊を測定することを想定し、その基盤を築くこと。

提案手法

• NA48/2実験は、114 mの長い崩壊領域と、ドリフトチェンバーおよびハドスコープを備えた磁場分離器を用いて、複数の荷電粒子を含む最終状態への荷電カイオン崩壊の大規模なデータサンプルを収集した。
• 共鳴崩壊を示唆する狭いピークを発見するため、$\pi\mu$ および $\mu\mu$ 組み合わせのインヴァリエント質量分布をスキャンした。具体的には、$K^{\text{±}} \to \mu^{\text{±}} N_4$ に followed して $N_4 \to \pi^{\text{∓}}\mu^{\text{±}}$ が起こる場合や、$K^{\text{±}} \to \pi^{\text{±}}\chi$ に followed して $\chi \to \mu^{+}\mu^{-}$ が起こる場合を想定した。
• 信号の受容率とバックグラウンド推定にはモンテカルロシミュレーションを用い、検出器効率および再構成効果の補正を加えた。
• 観測されたイベント数、予想されるバックグラウンド、および共鳴子の質量と寿命に依存する受容率を用いて、分岐比の積の上限を導出した。
• 潜在的信号の統計的有意度は、Zスコアの式 $ z = \frac{N_{\text{obs}} - N_{\text{exp}}}{\sqrt{\delta N_{\text{obs}}^2 + \delta N_{\text{exp}}^2}} $ を用いて評価したが、どの場合でも3σを超える信号は観測されなかった。
• システムティック不確かさは評価され、その主な寄与はモンテカルロシミュレーションの精度（1.0%）と関連する崩壊の分岐比の不確かさであった。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 レプトン数破れ崩壊 $K^{\text{±}} \to \pi^{\text{∓}}\mu^{\text{±}}\mu^{\text{±}}$ の分岐比に対する上限は何か？
• RQ2 $K^{\text{±}} \to \pi\mu\mu$ 崩壊チャンネルにおいて、重い中性レプトン（$N_4$）を含む共鳴崩壊の証拠は観測できるか？
• RQ3 $N_4$ の質量と寿命に依存する $\mathcal{B}(K^{\text{±}} \to \mu^{\text{±}} N_4) \mathcal{B}(N_4 \to \pi^{\text{∓}}\mu^{\text{±}})$ の分岐比の積に対する上限は何か？
• RQ4 インフラトン的共鳴状態における $\mathcal{B}(K^{\text{±}} \to \pi^{\text{±}}\chi) \mathcal{B}(\chi \to \mu^{+}\mu^{-})$ の上限は、$K^{\text{±}} \to \pi\mu\mu$ 崩壊においてどの程度か？
• RQ5 これらの結果は、以前の上限と比較してどう異なるか？また、$\nu$ MSM やスカラー拡張モデルに与える影響は何か？

主な発見

• レプトン数破れ崩壊 $K^{\text{±}} \to \pi^{\text{∓}}\mu^{\text{±}}\mu^{\text{±}}$ の分岐比に対する上限は、90%信頼水準で $8.6 \times 10^{-11}$ であり、前回の最良の上限を1桁以上改善した。
• すべての質量仮説において、$\pi\mu$ や $\mu\mu$ 組み合わせのインヴァリエント質量スペクトルに顕著な信号は観測されず、局所的有意度は3標準偏差未満であった。
• 寿命が100 ps未満の共鳴子に対して、$\mathcal{B}(K^{\text{±}} \to \mu^{\text{±}} N_4) \mathcal{B}(N_4 \to \pi^{\text{∓}}\mu^{\text{±}})$ の上限は $10^{-10}$ から $10^{-9}$ の範囲にあった。
• 同様に、寿命が100 ps未満のインフラトン的共鳴子に対して、$\mathcal{B}(K^{\text{±}} \to \pi^{\text{±}}\chi) \mathcal{B}(\chi \to \mu^{+}\mu^{-})$ の上限も $10^{-10}$ から $10^{-9}$ の範囲にあった。
• LNV分岐比上限に対する総合的なシステムティック不確かさは1.5%であり、その主な寄与はモンテカルロシミュレーションの精度（1.0%）と分岐比の不確かさであった。
• 重い中性レプトンやスカラーインフラトンを含むモデルに対する強い制約が得られ、$\nu$ MSM や電弱対称性の破れのシナリオへの影響を示唆した。