[논문 리뷰] Review of Nucleon Decay Searches at Super-Kamiokande

Volodymyr Takhistov|arXiv (Cornell University)|2016. 05. 10.

Particle physics theoretical and experimental studies참고 문헌 18인용 수 39

한 줄 요약

이 논문은 수천 톤·년의 노출로 세계에서 가장 엄격한 양성자 및 중성자 붕괴 모드에 대한 한계를 설정한 슈퍼-카미오칸데 수중 츄레노프스 검출기에서의 양성자 붕괴 탐색을 검토한다. 이는 10³²–10³⁴년 범위의 수명 한계를 설정하여 대Unified 이론(GUT)과 비대칭성 생성 모델의 광범위한 매개변수 공간을 배제한다.

ABSTRACT

Baryon number violation appears in many contexts. It is a requirement for baryogenesis and is a consequence of Grand Unified Theories (GUTs), which predict nucleon decay. Nucleon decay searches provide the most direct way to test baryon number conservation and also serve as a unique probe of GUT scale physics around $10^{14-16}$ GeV. Such energies cannot be reached directly by accelerators. However, they can be explored indirectly at large underground water Cherenkov (WC) experiments, which due to the size of their fiducial volume are highly sensitive to nucleon decays. We review searches for baryon number violating processes at the state of the art WC detector, the Super-Kamiokande. Analyses of the typically dominant non-SUSY and SUSY nucleon decay channels such as $p ightarrow (e^+, μ^+) π^0$ and $p ightarrow νK^+$, as well as more exotic searches, will be discussed. Presented studies set the world's best limits, which circumvent the allowed parameter space of theoretical models

연구 동기 및 목표

• 양성자 수명 보존을 시험하고 표준 모형을 초월한 물리학을 탐색하기 위해 양성자 붕괴를 통해.
• 대규모 지하 수중 츄레노프스 검출기를 사용하여 양성자 및 중성자 붕괴 모드에 대한 가장 엄격한 실험적 한계를 설정하기 위해.
• 대통합 이론(GUT) 스케일 에너지(~10¹⁴–10¹⁶ GeV)에서 예측된 붕괴 채널을 탐색하여 대통합 이론(GUT)과 비대칭성 생성 모델을 제약하기 위해.
• 다양한 붕괴 채널(비-SUSY 및 SUSY 모드 포함)을 분석하고 핵 효과 및 배경을 고려하여 민감도를 향상시키기 위해.

제안 방법

• 1km 지하에 위치한 50킬로톤 수중 츄레노프스 검출기인 슈퍼-카미오칸데 검출기를 사용하였다.
• 이온화 입자 및 광자에서 발생하는 츄레노프스 빛 패tern을 재구성하여 e⁺/μ⁺, π⁰, K⁺ 및 투명한 최종 상태와 같은 붕괴 서명을 식별하였다.
• 완전히 포함된 사건을 분리하기 위해, e-유사( showers) 또는 μ-유사(비 showers) 링 형태를 가진 사건 선택 기준을 적용하였다.
• 신호 및 배경를 모델링하기 위해 페르미 운동량, 핵 결합 및 양성자-양성자 상관관계를 포함한 몬테카를로 시뮬레이션을 사용하였다.
• 대기 중 뉴트리노 배경을 추정하기 위해 NEUT 및 Honda 플럭스 모델을 사용하여 배경 시뮬레이션을 생성하였다.
• 관측된 사건 수를 배경 예측과 비교하여 최대우도 적합을 수행하여 90% 신뢰수준(C.L.)에서 양성자 붕괴 수명의 하한 한계를 도출하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 대통합 이론(GUT)의 맥락에서 세계에서 가장 엄격한 양성자 및 중성자 붕괴 모드에 대한 실험적 한계는 무엇인가?
• RQ2 슈퍼-카미오칸데의 양성자 붕괴 탐색 결과는 비대칭성 생성 및 GUT 모델의 매개변수 공간을 어떻게 제약하는가?
• RQ3 핵 효과 및 검출기 반응은 양성자 붕괴 채널에 대한 민감도에 어느 정도 영향을 미치는가?
• RQ4 비가시 입자 또는 이국적인 최종 상태를 포함한 다양한 붕괴 모드 간의 현재 한계는 어떻게 비교되는가?
• RQ5 미래 실험에서 기대되는 향상 사항은 무엇이며, 이를 통해 양성자 붕괴 민감도는 어떻게 향상될 것인가?

주요 결과

• 세계에서 가장 엄격한 90% C.L. 하한 한계로, 양성자 붕괴 모드 $p \rightarrow e^+\pi^0$의 수명은 $1.7 \times 10^{34}$년이다.
• 모드 $p \rightarrow \mu^+\pi^0$의 90% C.L. 하한 한계는 $7.8 \times 10^{33}$년이며, SUSY 및 비-SUSY GUT 모델에 대한 엄격한 제약를 제공한다.
• $p \rightarrow \nu K^+$ 및 $p \rightarrow \mu^+ K^0$ 모드에 대한 한계는 각각 $6.6 \times 10^{33}$년이며, GUT 매개변수 공간의 상당한 영역을 배제한다.
• 이국적인 모드인 $p \rightarrow e^+\eta$ 및 $p \rightarrow \mu^+\eta$에 대한 한계는 각각 $4.2 \times 10^{33}$년 및 $1.3 \times 10^{33}$년으로 설정되었다.
• 비가시 최종 상태를 포함한 $p \rightarrow e^+\nu\nu$ 및 $p \rightarrow \mu^+\nu\nu$ 모드는 각각 $1.7 \times 10^{32}$년 및 $2.2 \times 10^{32}$년으로 제약되었다.
• 중성자 붕괴 모드인 $n \rightarrow e^+\pi^-$ 및 $n \rightarrow \mu^+\pi^-$는 각각 $2.0 \times 10^{33}$년 및 $1.0 \times 10^{33}$년으로 제한되었다.