[论文解读] Forbidden Kaon and Pion Decays in NA62

M. Moulson|arXiv (Cornell University)|Jun 14, 2013

Particle physics theoretical and experimental studies参考文献 1被引用 3

一句话总结

NA62 计划在 CERN 的 SPS 加速器上，利用一台高精度探测器，对 10^13 个 K+ 衰变进行分析，以搜索禁止的 K 介子和 π 介子衰变。通过先进的追踪、粒子识别和光子拒收技术，NA62 实现了对轻子味和轻子数违反衰变的单事件灵敏度约为 10^{-12}，从而能够对标准模型之外的新物理现象施加具有竞争力的限制。

ABSTRACT

NA62, an experiment at the CERN SPS to measure the branching ratio for the decay K+ -> pi+ nu nu-bar with ~10% precision, will observe ~10^13 K+ decays in its fiducial volume, and will thus also be able to carry out a rich program to search for forbidden K+ and pi0 decays, including in particular K+ decays that violate the conservation of lepton flavor and/or number. NA62's potential performance in searches for a number of forbidden K+ and pi0 decays is discussed, with initial sensitivity estimates.

研究动机与目标

• 搜索违反轻子味和/或轻子数守恒的稀有或禁止的 K 介子和 π 介子衰变。
• 改进现有实验对稀有衰变（如 K+ → π+ νν̄ 和 π⁰ → 不可见末态）的限制。
• 利用高强度 K+ 束流和先进的探测器性能，探测能量尺度高达 100 TeV 的新物理现象。
• 通过稀有衰变探索新物理的信号，例如重中性轻子、U 玻色子和暗物质候选者。
• 对 π⁰ 不可见衰变和涉及轻中性粒子的奇异衰变设置更优的限制。

提出的方法

• 利用 CERN SPS 的 NA62 探测器，在两年的数据采集期间收集约 10^13 个 K+ 衰变。
• 采用精确的追踪和粒子识别技术，以抑制背景并分离稀有衰变信号。
• 应用全向光子拒收技术，包括 LKr 量能器和 LAV，以抑制光子丢失导致的背景。
• 利用运动学拟合和能量分辨率（约 1 MeV）以增强对 e+e− 末态信号的识别能力。
• 实施触发策略，采用零级和一级触发标准，包括轨迹质量判据和角度切片，以抑制 π⁰ → γγ 背景。
• 在 (pπ⁺, θπ⁺) 空间施加运动学切片，以排除低能、大角度光子，使 π⁰ 拒收效率相比基线 10^{-8} 提高十倍。

实验结果

研究问题

• RQ1 NA62 对于如 K+ → π+ e±μ∓ 等轻子味违反的 K+ 衰变的灵敏度是多少？
• RQ2 NA62 能否改进当前对 π⁰ 不可见衰变（特别是 π⁰ → νν̄ 或其他弱相互作用末态）的限制？
• RQ3 NA62 在探测 U 玻色子介导的衰变（如 π⁰ → e+e−γ）方面具有多大潜力？
• RQ4 NA62 能在多大程度上区分 K+ → π+π⁰ 中包含不可见 π⁰ 衰变的信号与主导的 K+ → π+νν̄ 信号？
• RQ5 NA62 能在多大程度上通过稀有 K 介子和 π 介子衰变约束预测在 100 TeV 能量尺度下出现的新物理模型？

主要发现

• NA62 对一系列轻子味违反的 K+ 衰变实现了约 10^{-12} 的单事件灵敏度，使对新物理的搜索具备竞争力。
• 该实验可将 BR(π⁰ → 不可见) 的限制提升至约 10^{-9}，相比当前 2.7×10^{-7} 的限制提高了约 100 倍。
• 在每年约 10^8 个 π⁰ → e+e−γ 衰变和 1 MeV 质量分辨率的条件下，NA62 可将 WASA-at-COSY 对 BR(π⁰ → Uγ) 的限制提高至少两个数量级。
• 通过运动学切片和改进的光子拒收技术，π⁰ 拒收效率相比基线 10^{-8} 提高了十倍，显著增强了对不可见衰变的灵敏度。
• NA62 的性能使其实现对涉及新规范玻色子或重中微子的树图模型中新物理尺度的探测，上限可达约 100 TeV。
• 该实验在检验能够解释 muon g−2 异常的理论模型（如包含带电轻子味违反的超对称扩展）方面具有显著优势。