[论文解读] NA48/2 studies of rare decays

M. Raggi|arXiv (Cornell University)|Aug 6, 2015

Particle physics theoretical and experimental studies被引用 9

一句话总结

NA48/2实验首次观测到稀有衰变 $K^{\pm} \to \pi^{\pm}\pi^{0}e^{+}e^{-}$，共获得1916个候选事例，背景污染低于3%，测得分支比为 $(4.06 \pm 0.17) \times 10^{-6}$。该实验还对质量范围10–125 MeV/$c^2$内的暗光子混合参数 $\varepsilon^2$ 设定了初步的90%置信水平上限，改进了先前的约束，并在动量混合假设下，排除了暗光子作为解释μ子 $g-2$ 异常的可能，尤其在10–100 MeV/$c^2$ 范围内。

ABSTRACT

The first observation of about 2000 candidates, with a background contamination below 3%, of the rare decay $K^{\pm} o π^{\pm}π^{0}e^+e^-$ is reported by the NA48/2 experiment. The preliminary branching ratio in the full kinematic region is obtained to be: ${\cal B}(K^{\pm} o π^{\pm}π^{0}e^+e^-)=(4.06\pm0.17)\cdot10^{-6}$ by analyzing the data collected in 2003. A sample of $4.687 imes 10^6$ $K^\pm oπ^\pmπ^0_D$, decay candidates with a negligible background contamination collected in 2003-04 is analyzed to search for the dark photon ($A'$) via the decay chain $K^\pm oπ^\pmπ^0$, $π^0 oγA'$, $A' o e^+e^-$. No signal is observed, and preliminary limits in the plane dark photon mixing parameter $\varepsilon^2$ versus its mass $m_{A'}$ are reported.

研究动机与目标

• 观测稀有衰变 $K^{\pm} \to \pi^{\pm}\pi^{0}e^{+}e^{-}$，该过程涉及虚光子交换及内部转换为 $e^{+}e^{-}$，可作为探测宇称破坏可观测量的探针。
• 通过衰变链 $K^{\pm} \to \pi^{\pm}\pi^{0}$，$\pi^{0} \to \gamma A'$，$A' \to e^{+}e^{-}$ 寻找暗光子 ($A'$)，以检验标准模型的扩展。
• 改进10–125 MeV/$c^2$ 质量范围内暗光子混合参数 $\varepsilon^2$ 的约束，尤其在解决μ子 $g-2$ 异常的背景下。
• 利用运动学和不变质量切片，减少来自 $K_{3\pi D}$ 和 $K_{2\pi D}$ 衰变的本底污染，确保高信号纯度。

提出的方法

• 事件重建通过识别三个带电轨迹（两个电子/正电子和一个π介子）以及两个光子形成 $\pi^0$ 完成，其不变质量在PDG给出的 $\pi^0$ 质量 $\pm 10$ MeV/$c^2$ 范围内。
• 粒子识别基于液态氪量能器中的 $E/p$ 比值：电子/正电子满足 $E/p > 0.85$，π介子满足 $E/p < 0.85$。
• 背景抑制采用运动学切片：$M_{\pi^{+}\pi^{0}}^2 > 120$ MeV$^2/c^4$ 用于排除 $K_{3\pi D}$ 事例，$M_{ee\gamma} > 7$ MeV/$c^2$（从 $\pi^0$ 质量起算）用于排除 $K_{2\pi D}$ 事例。
• 暗光子搜索在10–125 MeV/$c^2$ 范围内进行398个质量假设的扫描，每个质量点设置 $\pm 1.5\sigma_m$ 的信号窗口，通过蒙特卡罗模拟进行优化。
• 采用Rolke–López方法计算 $\varepsilon^2$ 的上限，假设 $\mathcal{B}(A' \to e^{+}e^{-}) = 1$，并校正触发效率和探测器接受度。
• 通过为 $\pi^0_{\rm D}$ 背景生成的蒙特卡罗样本评估 $A'$ 信号的接受度，因为 $e^{+}e^{-}$ 休系中角分布至可忽略的辐射修正外完全相同。

实验结果

研究问题

• RQ1 稀有衰变 $K^{\pm} \to \pi^{\pm}\pi^{0}e^{+}e^{-}$ 的分支比是多少？其对检验宇称破坏相互作用有何意义？
• RQ2 NA48/2实验能否在衰变链 $K^{\pm} \to \pi^{\pm}\pi^{0} \to \pi^{\pm}\gamma A' \to \pi^{\pm}\gamma e^{+}e^{-}$ 中观测到暗光子 $A'$ 的信号？
• RQ3 在10–125 MeV/$c^2$ 质量范围内，对暗光子混合参数 $\varepsilon^2$ 的最严格限制是什么？与现有约束相比如何？
• RQ4 观测数据是否支持暗光子可解释μ子 $g-2$ 测量差异的假设？

主要发现

• NA48/2实验首次报告观测到稀有衰变 $K^{\pm} \to \pi^{\pm}\pi^{0}e^{+}e^{-}$，获得1916个信号候选事例，背景污染低于3%。
• 初步测得分支比为 $(4.06 \pm 0.17) \times 10^{-6}$，与基于 $K^{\pm} \to \pi^{\pm}\pi^{0}\gamma$ 测量的理论预测一致。
• 在 $K^{\pm} \to \pi^{\pm}\pi^{0} \to \pi^{\pm}\gamma A' \to \pi^{\pm}\gamma e^{+}e^{-}$ 衰变链中未观测到暗光子信号，因此得到 $\varepsilon^2$ 的90%置信水平上限。
• 对 $\varepsilon^2$ 的上限在10–60 MeV/$c^2$ 范围内优于先前结果，尤其在解决μ子 $g-2$ 异常的背景下。
• 在动量混合假设及主导衰变为标准模型粒子的前提下，NA48/2结果在10–100 MeV/$c^2$ 范围内排除了暗光子作为解决μ子 $g-2$ 异常的候选。
• 对分支比 $\mathcal{B}(\pi^{0} \to \gamma A')$ 的上限约为 $10^{-6}$，且对 $m_{A'}$ 的依赖性微弱，这是由于接受度下降与背景涨落之间的抵消效应所致。