[论文解读] Final Results of the MEG Experiment

T. Mori|arXiv (Cornell University)|Jun 27, 2016

Particle physics theoretical and experimental studies参考文献 1被引用 9

一句话总结

MEG实验在瑞士保罗谢勒研究所（PSI）利用7.5×10¹⁴个停止的μ⁺子，对罕见的带电轻子味破坏衰变μ⁺ → e⁺γ进行了搜索，实现了90%置信水平下4.2×10⁻¹³的灵敏度极限。该结果比以往的限制严格了30倍，对预测此类跃迁的超对称大统一理论（SUSY GUT）及其他新物理模型构成了严重约束。

ABSTRACT

Transitions of charged leptons from one generation to another are basically prohibited in the Standard Model because of the mysteriously tiny neutrino masses, although such flavor-violating transitions have been long observed for quarks and neutrinos. Supersymmetric Grand Unified Theories (SUSY GUT), which unify quarks and leptons as well as their forces, predict that charged leptons should also make such transitions at small but experimentally observable rates. The MEG experiment was the first to have explored one of such transitions, mu+ -> e+ gamma decays, down to the branching ratios predicted by SUSY GUT. Here we report the final results of the MEG experiment based on the full dataset collected from 2009 to 2013 at the Paul Scherrer Institut, corresponding to a total of 7.5 x 10^14 stopped muons on target. No excess for mu+ -> e+ gamma decays was found. Thus the most stringent upper bound was placed on the branching ratio, B(mu+ -> e+ gamma) < 4.2 x 10^-13 at 90% C.L., about 30 times tighter than previous experiments, and severely constrains SUSY GUT and other well-motivated theories. We are now preparing the upgraded experiment MEG II with an aim to achieve a sensitivity of 4 x 10^-14 after three years of data taking. It is expected to start late in 2017.

研究动机与目标

• 以前所未有的灵敏度搜索罕见的带电轻子味破坏衰变μ⁺ → e⁺γ。
• 检验超对称大统一理论（SUSY GUT）的预测，该理论预测此类衰变可达到可观测的速率。
• 探究从高能标到电弱标度的 seesaw机制与跑动重正化群演化的影响。
• 对预测轻子味破坏的理论进行严格检验，特别是与中微子质量生成相关的理论。
• 为MEG II奠定基础，确立未来实验的基准灵敏度。

提出的方法

• 利用PSI质子回旋加速器提供的高强度连续μ⁺束流（10⁸ μ⁺/秒），以获得高统计量。
• 采用由五个同轴线圈组成的超导磁铁，聚焦并测量动量接近52.8 MeV的正电子。
• 使用液态氙量能器配合光电倍增管，实现高分辨率的光子能量测量。
• 采用低材料比例的漂移室，填充氦气并结合闪烁体板，以实现精确的电子动量与时间分辨率。
• 通过光子与低动量正电子之间的飞行时间符合，实施背景抑制策略，以标记辐射μ子衰变。
• 对2009–2013年采集的数据进行基于似然的分析，通过拟合信号与背景成分，提取上限。

实验结果

研究问题

• RQ1 罕见衰变μ⁺ → e⁺γ的分支比是多少？是否超过标准模型的预测？
• RQ2 观测到的中微子振荡与微小中微子质量是否可与同样介导带电轻子味破坏的新型物理联系起来？
• RQ3 超对称大统一理论在多大程度上预测可观测的μ⁺ → e⁺γ衰变速率？
• RQ4 从高能标（如10¹⁶ GeV）开始的跑动重正化群演化效应对μ⁺ → e⁺γ分支比有何影响？
• RQ5 μ子异常磁矩（g−2）异常是否可与μ⁺ → e⁺γ等轻子味破坏过程相联系？

主要发现

• 在完整的MEG数据集中未观测到任何信号事例，对应7.5×10¹⁴个停止的μ⁺子。
• 90%置信水平下，分支比的上限被确定为4.2×10⁻¹³，比以往实验提高了30倍。
• 该结果排除了大量SUSY GUT模型及其他预测分支比高于此限的理论。
• 信号区域的实测背景分布与预期一致，验证了分析模型的可靠性。
• 该上限与其他轻子味破坏过程具有可比性，μ⁺→3e与μ⁻N→e⁻N的转换率等效于μ⁺→e⁺γ的上限。
• MEG II升级正在进行中，计划在三年数据采集后实现4×10⁻¹⁴的灵敏度，2017年将进行完整的工程运行。