[논문 리뷰] A search for $μ^+ o e^+γ$ with the first dataset of the MEG II experiment

MEG II collaboration, K. Afanaciev외 80명|arXiv (Cornell University)|2023. 10. 19.

Particle physics theoretical and experimental studies인용 수 6

한 줄 요약

이 논문은 스위스의 PSI에서 진행 중인 MEG II 실험의 初기 데이터셋을 사용하여 희귀 뮤온 붕괴 $\mu^+ \to e^+\gamma$ 를 처음으로 탐색하며, 90% 신뢰수준에서 $\mathcal{B}(\mu^+ \to e^+\gamma) < 7.5 \times 10^{-13}$ 의 상한선을 확보하였다. 최종 MEG 결과와 조합한 결과, 지금까지 가장 엄격한 상한선인 $3.1 \times 10^{-13}$ 을 설정하였으며, 이는 표준모형을 초월한 물리학을 상당히 좁혀내는 데 기여한다.

ABSTRACT

The MEG II experiment, based at the Paul Scherrer Institut in Switzerland, reports the result of a search for the decay $μ^+ o e^+γ$ from data taken in the first physics run in 2021. No excess of events over the expected background is observed, yielding an upper limit on the branching ratio of B($μ^+ o e^+γ$) &lt; $7.5 imes 10^{-13}$ (90% C.L.). The combination of this result and the limit obtained by MEG gives B($μ^+ o e^+γ$) &lt; $3.1 imes 10^{-13}$ (90% C.L.), which is the most stringent limit to date. A ten-fold larger sample of data is being collected during the years 2022-2023, and data-taking will continue in the coming years.

연구 동기 및 목표

• MEG II 실험의 첫 번째 물리 데이터셋을 사용하여 렙톤 페어링 위반 붕괴인 $\mu^+ \to e^+\gamma$ 를 탐색하기 위해.
• 원래 MEG 실험 대비 향상된 검출기 해상도와 효율성을 반영하여 $\mu^+ \to e^+\gamma$ 붕괴 분율에 대한 새로운 상한선을 설정하기 위해.
• MEG II의 2021년 결과를 최종 MEG 데이터셋과 조합하여 지금까지 가장 엄격한 $\mu^+ \to e^+\gamma$ 붕괴 분율 상한선을 확보하기 위해.
• 블라인드 분석, 가짜 실험, 그리고 사이드밴드 영역에서의 일관성 검증을 통해 분석 방법론을 검증하기 위해.

제안 방법

• 2021년에 수집한 7주분의 MEG II 데이터를 대상으로 블라인드 최대우도 분석을 수행하여 $\mu^+ \to e^+\gamma$ 후보를 식별하였다.
• 신호 및 배경 모델링에 시간-측정 기반의 정규화 제약 조건을 포함한 우도 함수를 사용하여 배경 기여도를 추정하였다.
• 시간 도래 및 에너지 흡수 정보를 활용하여 $e^+\gamma$ 최종 상태를 재구성하고 배경를 억제하였다.
• 체계적 불확실성은 신호 영역 주변의 시간 사이드밴드에서의 일관성 검증 및 가짜 실험을 통해 평가하였다.
• 간단화된 우도 조합 방법을 사용하여 MEG II 결과를 최종 MEG 데이터셋과 조합하였으며, 음의 로그우도 비율의 임계값을 설정하여 Feldman–Cousins 방법을 근사하였다.
• 조합된 우도 곡선을 기반으로 임계값을 초과하는 방법을 사용하여 90% 신뢰수준에서 상한선을 결정하였다.

Figure 1: A sketch of the MEG II detector with a simulated $\mathrm{\muup^{+}\to e^{+}\gammaup}$ event.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 MEG II의 첫 번째 데이터셋을 사용하여 $\mu^+ \to e^+\gamma$ 희귀 붕괴의 분율에 대해 지금까지 가장 엄격한 상한선은 무엇인가요?
• RQ2 2021년 MEG II 데이터의 민감도는 향상된 검출기 성능를 고려할 때 전체 MEG 데이터셋에 비해 어떻게 비교될 수 있나요?
• RQ3 MEG II 2021년 데이터를 최종 MEG 결과와 융합했을 때 $\mathcal{B}(\mu^+ \to e^+\gamma)$ 의 통합 상한선은 무엇인가요?
• RQ4 사이드밴드 검증 및 가짜 실험을 통해 검증된 분석 방법론의 탄력성은 어떻게 평가될 수 있나요?

주요 결과

• MEG II 실험은 $\mu^+ \to e^+\gamma$ 탐색에서 기대되는 배경 이상의 의미 있는 과잉 사건을 관측하지 못하였다.
• 2021년 데이터를 사용하여 90% 신뢰수준에서 $\mathcal{B}(\mu^+ \to e^+\gamma) < 7.5 \times 10^{-13}$ 의 상한선을 설정하였다.
• 최종 MEG 결과와 조합한 결과, 90% 신뢰수준에서 상한선이 $\mathcal{B}(\mu^+ \to e^+\gamma) < 3.1 \times 10^{-13}$ 으로 감소하였다.
• 통합 상한선는 기대 민감도인 $4.3 \times 10^{-13}$ 과 일치하며, 더 엄격한 상한선를 얻을 확률이 30%이다.
• 시간 사이드밴드에서의 일관성 검증 및 가짜 실험을 통해 분석 방법론이 탄탄하고 신뢰성 있음을 확인하였다.
• MEG II 협동 연구진은 2023년까지 통계량이 10배 증가할 것으로 예상하며, 2026년에는 20배 이상 증가하여 민감도를 약 $\sim 6.0 \times 10^{-14}$ 으로 향상시킬 것으로 기대한다.

Figure 2: Distribution of the $90\text{\,}\mathrm{\char 37\relax}$ C.L. upper limits computed for an ensemble of pseudo-experiments with a null-signal hypothesis. The sensitivity is calculated as the median of the distribution to be ${\cal S}_{90}=$8.8\text{\times}{10}^{-13}$$ . The sensitivity is i