[논문 리뷰] Final Results of the MEG Experiment

T. Mori|arXiv (Cornell University)|2016. 06. 27.

Particle physics theoretical and experimental studies참고 문헌 1인용 수 9

한 줄 요약

MEG 실험은 프로톤 사이클로트론에서 유도된 고강도 연속성 μ⁺ 비임의(10⁸ μ⁺/sec)를 사용하여, 7.5×10¹⁴개의 정지된 뮤온을 이용해 희귀한 전하 렙톤 풍미 위반 붕괴 μ⁺ → e⁺γ를 탐색하였으며, 90% 신뢰수준에서 감도 한계를 4.2×10⁻¹³으로 확보하였다. 이 결과는 이전 한계보다 30배 더 엄격하여, 초대칭 대Unified 이론(SUSY GUT)과 표준모형을 넘는 새로운 물리 이론 모델이 이러한 전이를 예측하는 것을 심각하게 제약한다.

ABSTRACT

Transitions of charged leptons from one generation to another are basically prohibited in the Standard Model because of the mysteriously tiny neutrino masses, although such flavor-violating transitions have been long observed for quarks and neutrinos. Supersymmetric Grand Unified Theories (SUSY GUT), which unify quarks and leptons as well as their forces, predict that charged leptons should also make such transitions at small but experimentally observable rates. The MEG experiment was the first to have explored one of such transitions, mu+ -> e+ gamma decays, down to the branching ratios predicted by SUSY GUT. Here we report the final results of the MEG experiment based on the full dataset collected from 2009 to 2013 at the Paul Scherrer Institut, corresponding to a total of 7.5 x 10^14 stopped muons on target. No excess for mu+ -> e+ gamma decays was found. Thus the most stringent upper bound was placed on the branching ratio, B(mu+ -> e+ gamma) < 4.2 x 10^-13 at 90% C.L., about 30 times tighter than previous experiments, and severely constrains SUSY GUT and other well-motivated theories. We are now preparing the upgraded experiment MEG II with an aim to achieve a sensitivity of 4 x 10^-14 after three years of data taking. It is expected to start late in 2017.

연구 동기 및 목표

• 초기의 감도로 희귀한 전하 렙톤 풍미 위반 붕괴 μ⁺ → e⁺γ를 탐색하기 위해.
• 관측 가능한 비율로 이러한 붕괴를 예측하는 초대칭 대Unified 이론(SUSY GUT)의 예측을 검증하기 위해.
• 고에너지 스케일에서 전기약력 스케일로의 레논르미제이션 군 진화와 seesaw 메커니즘을 탐구하기 위해.
• 특히 중성미온 질량 생성과 관련된 이론들이 렙톤 풍미 위반을 예측하는지를 철저히 검증하기 위해.
• 미래 실험을 위한 기초 감도를 확립하고 MEG II의 준비를 위한 기반을 마련하기 위해.

제안 방법

• PSI의 프로톤 사이클로트론에서 유도된 고강도 연속성 μ⁺ 비임(10⁸ μ⁺/sec)을 사용하여 높은 통계량을 확보하였다.
• 5개의 동축 코ils로 구성된 초전도 자석을 사용하여 운동량이 약 52.8 MeV인 양전자를 집중 및 측정하였다.
• 광증폭관을 장착한 액체 크세논 캘로리메터를 사용하여 고해상도의 광자 에너지 측정을 수행하였다.
• 헬륨 기체와 시나이레이터 타일을 사용한 저물질 드리프트 챔버를 적용하여 정밀한 전자 운동량 및 타이밍 해상도를 확보하였다.
• 방사선 뮤온 붕괴를 태그하기 위해 광자와 저운동량 양전자 간의 시간 일치를 활용한 배경 억제 전략을 적용하였다.
• 2009–2013년 데이터를 기반으로 신호 및 배경 성분을 피팅하여 상한값을 추출하기 위해 가능도 기반 분석을 수행하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 희귀 붕괴 μ⁺ → e⁺γ의 분해비는 얼마이며, 표준모형 예측을 초과하는가?
• RQ2 관측된 중성미온 진동과 작은 중성미온 질량은, 동시에 전하 렙톤 풍미 위반을 매개하는 새로운 물리 현상과 관련이 있는가?
• RQ3 초대칭 대Unified 이론은 관측 가능한 수준의 μ⁺ → e⁺γ 붕괴 비율을 어느 정도 예측하는가?
• RQ4 고에너지 스케일(예: 10¹⁶ GeV)에서의 레논르미제이션 군 진화 효과는 μ⁺ → e⁺γ 붕괴 비율에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ5 뮤온의 비정상 자기모멘트(g−2) 이상현상은 렙톤 풍미 위반 과정, 특히 μ⁺ → e⁺γ와 연결될 수 있는가?

주요 결과

• 전체 MEG 데이터셋에서 신호 이벤트는 관측되지 않았으며, 이는 7.5×10¹⁴개의 정지 뮤온에 해당한다.
• 90% 신뢰수준에서 분해비 상한값은 4.2×10⁻¹³으로 설정되었으며, 이는 이전 실험보다 30배 향상된 결과이다.
• 이 결과는 이 상한값 이상의 분해비를 예측하는 대규모 SUSY GUT 모델과 다른 잘 정당화된 이론 모델을 배제한다.
• 신호 영역의 배경 분포는 기대치와 일치하여 분석 모델의 타당성을 검증하였다.
• 이 상한값은 다른 렙톤 풍미 위반 과정과 경쟁 가능하며, μ⁺→3e 및 μ⁻N→e⁻N의 변환 비율과 동등한 제약 조건을 제공한다.
• MEG II 업그레이드는 진행 중이며, 3년간의 데이터 취득 후 감도 4×10⁻¹⁴을 목표로 하고 있으며, 2017년에 전체 엔지니어링 런 계획이 수립되어 있다.