[论文解读] Review of Nucleon Decay Searches at Super-Kamiokande

Volodymyr Takhistov|arXiv (Cornell University)|May 10, 2016

Particle physics theoretical and experimental studies参考文献 18被引用 39

一句话总结

本文综述了超级神冈水中切伦科夫探测器中对核子衰变的搜索，利用306千吨·年的曝光量，设定了迄今为止最严格的质子和中子衰变模式的极限。其结果在10³²–10³⁴年量级设定了寿命下限，排除了大范围的规范统一理论（GUT）和重子生成模型的参数空间。

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

研究动机与目标

• 通过核子衰变测试重子数守恒，并探索标准模型之外的物理。
• 利用大型地下水切伦科夫探测器，设定质子和中子衰变模式的最严格实验极限。
• 通过探测在GUT尺度能量（约10¹⁴–10¹⁶ GeV）下预测的衰变通道，约束规范统一理论（GUTs）和重子生成模型。
• 通过分析多种衰变模式（包括非SUSY和SUSY模式）提高灵敏度，并考虑核效应和本底影响。

提出的方法

• 使用位于地下1公里处的超级神冈探测器，该探测器为50千吨的水切伦科夫探测器，有效体积为22.5千吨。
• 通过重建带电粒子和光子产生的切伦科夫光图案，识别如e⁺/μ⁺、π⁰、K⁺和不可见末态等衰变信号。
• 应用事件选择标准，分离出具有e型（簇射型）或μ型（非簇射型）环形态的完全包含事件。
• 使用包含费米动量、核结合能和核子-核子关联效应的蒙特卡罗模拟，对信号和本底进行建模。
• 利用NEUT和Honda通量模型生成大气中微子本底模拟，以估算不可消除的本底。
• 对数据进行似然函数拟合，将观测到的事件数与本底预期进行比较，推导出核子衰变寿命的90%置信水平（C.L.）下限。

实验结果

研究问题

• RQ1 在规范统一理论（GUT）背景下，质子和中子衰变模式的最严格实验极限是什么？
• RQ2 超级神冈的核子衰变搜索结果如何约束重子生成和GUT模型的参数空间？
• RQ3 核效应和探测器响应在多大程度上影响对核子衰变通道的灵敏度？
• RQ4 不同衰变模式（包括具有不可见粒子或奇异末态的模式）的当前极限如何比较？
• RQ5 未来实验预计有哪些改进？这些改进将如何提升核子衰变的探测灵敏度？

主要发现

• 质子衰变模式 $p \rightarrow e^+\pi^0$ 的世界最严格90% C.L. 寿命下限为 $1.7 \times 10^{34}$ 年。
• 对于 $p \rightarrow \mu^+\pi^0$，90% C.L. 寿命下限为 $7.8 \times 10^{33}$ 年，对SUSY和非SUSY GUT模型施加了严格约束。
• 对 $p \rightarrow \nu K^+$ 和 $p \rightarrow \mu^+ K^0$ 的极限为 $6.6 \times 10^{33}$ 年，排除了GUT参数空间的显著区域。
• 对于奇异模式如 $p \rightarrow e^+\eta$ 和 $p \rightarrow \mu^+\eta$，分别设定了 $4.2 \times 10^{33}$ 年和 $1.3 \times 10^{33}$ 年的极限。
• 对 $p \rightarrow e^+\nu\nu$ 和 $p \rightarrow \mu^+\nu\nu$ 模式，分别限制在 $1.7 \times 10^{32}$ 年和 $2.2 \times 10^{32}$ 年，对应不可见末态。
• 中子衰变模式如 $n \rightarrow e^+\pi^-$ 和 $n \rightarrow \mu^+\pi^-$ 的极限分别为 $2.0 \times 10^{33}$ 年和 $1.0 \times 10^{33}$ 年。