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

MEG II collaboration, K. Afanaciev+80 more|arXiv (Cornell University)|Oct 19, 2023

Particle physics theoretical and experimental studies被引用 6

一句话总结

本论文利用位于 PSI 的 MEG II 实验的初始数据集，首次对罕见的正电子μ子衰变 $\mu^+ \to e^+\gamma$ 进行了搜索，获得了 90% 置信水平的分支比上限 $\mathcal{B}(\mu^+ \to e^+\gamma) < 7.5 \times 10^{-13}$。当与最终的 MEG 结果结合后，得到了迄今为止最严格的上限 $3.1 \times 10^{-13}$，显著限制了标准模型之外的物理学。

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.

研究动机与目标

• 利用 MEG II 实验的首个物理数据集，对 $\mu^+ \to e^+\gamma$ 的轻子 flavor 破坏衰变进行搜索。
• 通过利用相比原始 MEG 实验更优的探测器分辨率和效率，为 $\mu^+ \to e^+\gamma$ 的分支比设定新的上限。
• 将 MEG II 2021 年的结果与最终的 MEG 数据集合并，以获得迄今为止对 $\mu^+ \to e^+\gamma$ 分支比最严格的约束。
• 通过盲分析、伪实验以及边带区域的一致性检验，验证分析方法的可靠性。

提出的方法

• 对 MEG II 实验于 2021 年采集的 7 周数据进行了盲的、基于最大似然的分析，以识别 $\mu^+ \to e^+\gamma$ 事例。
• 信号与背景建模采用包含边带区域归一化约束的似然函数，以估算背景贡献。
• 分析利用飞行时间与能量沉积信息，重建 $e^+\gamma$ 最终态，从而抑制本底。
• 通过在信号区域周围的时间边带区域进行伪实验和一致性检查，评估系统误差。
• 采用简化的似然组合方法，将 MEG II 结果与最终 MEG 数据集合并，通过设定负对数似然比的阈值，近似实现 Feldman–Cousins 方法。
• 通过在合并后的似然曲线上的阈值穿越法，确定了 90% 置信水平下的联合上限。

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

实验结果

研究问题

• RQ1 基于 MEG II 的首个数据集，$\mu^+ \to e^+\gamma$ 稀有衰变的分支比最严格上限是多少？
• RQ2 考虑到探测器性能的提升，MEG II 在 2021 年数据的灵敏度与完整 MEG 数据集相比如何？
• RQ3 将 MEG II 2021 年数据与最终 MEG 结果合并后，$\mathcal{B}(\mu^+ \to e^+\gamma)$ 的联合上限是多少？
• RQ4 通过边带区域检查和伪实验验证，该分析方法的稳健性如何？

主要发现

• MEG II 实验在 $\mu^+ \to e^+\gamma$ 搜索中未观测到显著超出预期背景的事件。
• 基于 2021 年数据，确定了 90% 置信水平下 $\mathcal{B}(\mu^+ \to e^+\gamma) < 7.5 \times 10^{-13}$ 的上限。
• 与最终 MEG 结果合并后，上限进一步降低至 $\mathcal{B}(\mu^+ \to e^+\gamma) < 3.1 \times 10^{-13}$（90% 置信水平）。
• 该联合上限与预期灵敏度 $4.3 \times 10^{-13}$ 一致，有 30% 的概率获得更严格的上限。
• 通过时间边带区域的一致性检查和伪实验，验证了分析方法的稳健性与可靠性。
• MEG II 合作组预计到 2023 年统计量将提升十倍，到 2026 年将提升二十倍以上，目标灵敏度达到 $\sim 6.0 \times 10^{-14}$。

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