[论文解读] Dinucleon and Nucleon Decay to Two-Body Final States with no Hadrons in Super-Kamiokande

Kamiokande Collaboration, S. Sussman+168 more|arXiv (Cornell University)|Nov 29, 2018

Scientific Research and Discoveries参考文献 1被引用 13

一句话总结

本论文利用超级神冈探测器0.37兆吨·年的数据，对10种末态不含强子的两体核子及双核子衰变模式，给出了迄今为止最严格的局部寿命下限。采用具有相关系统不确定性的贝叶斯分析方法，对p→e⁺γ的局部寿命下限设定为>4.1×10³⁴年，对p→μ⁺γ的局部寿命下限设定为>2.1×10³⁴年，所有双核子衰变模式的下限均超过4×10³³年，相较于以往实验实现显著提升。

ABSTRACT

Using 0.37 megaton$\cdot$years of exposure from the Super-Kamiokande detector, we search for 10 dinucleon and nucleon decay modes that have a two-body final state with no hadrons. These baryon and lepton number violating modes have the potential to probe theories of unification and baryogenesis. For five of these modes the searches are novel, and for the other five modes we improve the limits by more than one order of magnitude. No significant evidence for dinucleon or nucleon decay is observed and we set lower limits on the partial lifetime of oxygen nuclei and on the nucleon partial lifetime that are above $4 imes 10^{33}$ years for oxygen via the dinucleon decay modes and up to about $4 imes 10^{34}$ years for nucleons via the single nucleon decay modes.

研究动机与目标

• 利用超级神冈探测器数据，搜索末态不含强子的两体核子及双核子衰变模式。
• 改进这些衰变模式的寿命上限，特别是对此前无约束的模式。
• 采用包含跨数据集完全相关系统不确定性的贝叶斯框架，以增强寿命上限计算的稳健性。
• 对10种特定衰变模式设定迄今为止最严格的局部寿命下限，其中5种为首次获得直接实验约束。
• 为标准模型之外的物理学提供更新的约束，特别是涉及重子数破坏的模型。

提出的方法

• 采用贝叶斯统计框架计算衰变速率上限，引入暴露量、效率和本底的先验分布，并考虑高斯不确定性。
• 系统不确定性在超级神冈探测器各数据集（SK-I至SK-IV）间被视为完全相关，暴露量假设1%不确定性，效率和本底则采用总百分比不确定性。
• 从每个数据集中的观测候选事例数（n_i）、本底估计值（b_i）、暴露量（λ_i）和探测效率（ε_i）出发，推导出衰变速率Γ的条件概率分布。
• 利用公式(2)中的积分比，在90%置信水平下计算寿命上限，确保衰变速率为正，并充分考虑所有系统相关性。
• 本底贡献通过包含73个系统不确定性源的逐事件数据库进行建模，包括通量、截面和能量刻度误差。
• 大多数模式采用谱函数拟合进行本底估计；对于本底稀少的稀有模式，则保守地应用100%的系统不确定性。

实验结果

研究问题

• RQ1 对于末态不含强子的两体核子及双核子衰变模式，最严格的局部寿命下限是多少？
• RQ2 系统不确定性（特别是跨数据集的相关性）如何影响寿命上限估计的可靠性？
• RQ3 在所研究的10种衰变模式中，哪些模式此前未受约束？这些模式的新上限是什么？
• RQ4 与Fréjus和IMB探测器的先前测量相比，新上限在灵敏度和单位暴露量归一化方面有何差异？
• RQ5 这些结果在多大程度上约束了标准模型之外的重子数破坏模型？

主要发现

• p→e⁺γ衰变模式的局部寿命下限在90%置信水平下为每核子4.1×10³⁴年，相较于先前限制有显著提升。
• p→μ⁺γ衰变模式的局部寿命下限达到每核子2.1×10³⁴年，为迄今最严格。
• 所有双核子衰变模式（如pp→e⁺e⁺、nn→γγ和pp→μ⁺μ⁺）的局部寿命下限均超过每氧核子4.1×10³³年。
• 在所研究的10种衰变模式中，有5种（包括pp→e⁺μ⁺和nn→e⁻μ⁺）首次获得直接实验上限。
• 与Fréjus和IMB探测器的先前结果相比，本研究在核子衰变的单位核子归一化下，上限改善了超过一个数量级。
• 该分析证明了采用系统不确定性相关性的贝叶斯方法的稳健性，确保了衰变速率上限的保守性和可靠性。