[논문 리뷰] Searches for Lepton Number Violation and resonances in the $K^{\pm} o πμμ$ decays at the NA48/2 experiment

K. Massri|arXiv (Cornell University)|2016. 07. 14.

Particle physics theoretical and experimental studies인용 수 4

한 줄 요약

이 논문은 CERN의 NA48/2 실험에서 2003–2004년 데이터를 사용하여 렙톤 수를 위반하는(LNV) 붕괴와 공명 신물리학을 탐색한다. LNV 붕괴 $K^{\pm} \to \pi^{\mp}\mu^{\pm}\mu^{\pm}$의 분포율에 대해 90% 신뢰수준에서 새로운 상한선인 $8.6 \times 10^{-11}$을 설정하였으며, 이는 이전 상한선보다 한 계단 이상 향상된 결과이다. 또한 수명이 100 ps 이하인 경우, 무거운 중성 렙톤 $N_4$와 인플라톤 $\chi$ 같은 공명 상태의 분포율 곱에 대한 상한선을 $10^{-10}$에서 $10^{-9}$ 범위로 설정하였다.

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.

연구 동기 및 목표

• 표준모형에서 금지된 렙톤 수 위반(LNV) 붕괴, 특히 $K^{\pm} \to \pi^{\mp}\mu^{\pm}\mu^{\pm}$ 붕괴를 양성 카이온 붕괴에서 탐색하기 위해.
• 무거운 중성 렙톤($N_4$)과 인플라톤($\chi$)과 같은 새로운 물리학의 존재를 $K^{\pm} \to \pi\mu\mu$ 최종 상태에서의 공명 붕괴를 통해 탐색하기 위해.
• LNV 및 공명 붕괴 모드의 분포율에 대한 개선된 상한선을 설정하여, $\nu$ MSM 및 스칼라 확장 모델과 같은 모델에 대한 제약 조건을 제공하기 위해.
• 향후 NA62 실험에서 고정밀도로 희귀 카이온 붕괴를 측정하기 위한 기초를 마련하기 위해.

제안 방법

• NA48/2 실험은 114m 길이의 붕괴 영역과 드리프트 챔버 및 히오도스코프를 갖춘 자석 스펙트로미터를 사용하여 다수의 양성 입자를 포함하는 최종 상태로의 양성 카이온 붕괴 대량 샘플을 수집하였다.
• $\pi\mu$ 및 $\mu\mu$ 쌍의 불변 질량 분포를 분석하여, 예를 들어 $K^{\pm} \to \mu^{\pm} N_4$ 이후 $N_4 \to \pi^{\mp}\mu^{\pm}$ 또는 $K^{\pm} \to \pi^{\pm}\chi$ 이후 $\chi \to \mu^{+}\mu^{-}$와 같은 공명 붕괴를 나타내는 좁은 피크를 탐색하였다.
• 신호 수용율과 배경 추정은 몬테카를로 시뮬레이션을 사용하여 수행되었으며, 검출기 효율성 및 재구성 효과에 대한 보정이 적용되었다.
• 관측된 사건 수, 예상 배경 및 수용율을 공명 질량과 수명에 따라 함수로 변환하여 분포율 곱에 대한 상한선을 유도하였다.
• 잠재 신호의 통계적 유의성은 Z-스코어 공식을 사용하여 평가되었으며, $ z = \frac{N_{\text{obs}} - N_{\text{exp}}}{\sqrt{\delta N_{\text{obs}}^2 + \delta N_{\text{exp}}^2}} $ 로 표현되며, 어떤 신호도 3σ를 초과하지 않았다.
• 체계적 불확실성은 평가되었으며, 가장 큰 기여는 몬테카를로 시뮬레이션 정확도(1.0%)와 관련 붕괴의 분포율 불확실성에서 비롯되었다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 렙톤 수 위반 붕괴 $K^{\pm} \to \pi^{\mp}\mu^{\pm}\mu^{\pm}$의 분포율에 대한 상한선은 무엇인가요?
• RQ2 무거운 중성 렙톤($N_4$)을 포함하는 공명 붕괴가 $K^{\pm} \to \pi\mu\mu$ 붕괴 채널에서 관측될 수 있나요?
• RQ3 $N_4$ 질량과 수명에 따라 $\mathcal{B}(K^{\pm} \to \mu^{\pm} N_4) \mathcal{B}(N_4 \to \pi^{\mp}\mu^{\pm})$의 곱에 대한 제약 조건은 무엇인가요?
• RQ4 인플라톤 유사 공명 상태에 대해 $\mathcal{B}(K^{\pm} \to \pi^{\pm}\chi) \mathcal{B}(\chi \to \mu^{+}\mu^{-})$의 상한선은 $K^{\pm} \to \pi\mu\mu$ 붕괴에서 어떻게 되나요?
• RQ5 이 결과들은 이전의 상한선과 비교하여 어떻게 다를까요? 그리고 $\nu$ MSM 및 스칼라 확장 모델에 어떤 영향을 미치나요?

주요 결과

• 렙톤 수 위반 붕괴 $K^{\pm} \to \pi^{\mp}\mu^{\pm}\mu^{\pm}$의 분포율에 대한 상한선은 90% 신뢰수준에서 $8.6 \times 10^{-11}$이며, 이는 이전 최고 상한선보다 한 계단 이상 향상된 결과이다.
• 모든 질량 가설에서 $\pi\mu$ 또는 $\mu\mu$ 쌍의 불변 질량 스펙트럼에서 유의미한 신호는 관측되지 않았으며, 국소 유의도는 모든 경우에서 3 표준편차 이하였다.
• 공명 수명이 100 ps 이하인 경우, $\mathcal{B}(K^{\pm} \to \mu^{\pm} N_4) \mathcal{B}(N_4 \to \pi^{\mp}\mu^{\pm})$에 대한 상한선은 $10^{-10}$에서 $10^{-9}$ 범위에 있다.
• 수명이 100 ps 이하인 경우, $\mathcal{B}(K^{\pm} \to \pi^{\pm}\chi) \mathcal{B}(\chi \to \mu^{+}\mu^{-})$에 대한 상한선 역시 $10^{-10}$에서 $10^{-9}$ 범위에 있다.
• LNV 분포율 상한선의 총 체계적 불확실성은 1.5%이며, 주로 몬테카를로 시뮬레이션 정확도(1.0%)와 분포율 불확실성에서 기인한다.
• 이 결과들은 중성 렙톤과 스칼라 인플라톤을 포함하는 모델에 대해 강력한 제약 조건을 제공하며, $\nu$ MSM 및 전자약력 대칭 붕괴 시나리오에 대한 함의를 지닌다.