[论文解读] Search for a feebly interacting particle $X$ in the decay $K^{+} ightarrowπ^{+}X$

NA Collaboration|arXiv (Cornell University)|Nov 23, 2020

Particle physics theoretical and experimental studies被引用 9

一句话总结

本文利用CERN NA62实验2017年的数据，对奇异粒子 $K^{+} \to \pi^{+}X$ 中长寿命、弱相互作用的粒子 $X$ 进行了搜索。通过重新诠释 $K^{+} \to \pi^{+} \nu\bar{\nu}$ 分析，该研究在分支比上设定了新的、具有竞争力的限制，在154–260 MeV/$c^2$ 质量范围内将先前的约束提高了一个数量级以上，并在寿命超过5 ns时达到90%置信水平下 $5 \times 10^{-11}$ 的灵敏度。

ABSTRACT

A search for the $K^{+} ightarrowπ^{+}X$ decay, where $X$ is a long-lived feebly interacting particle, is performed through an interpretation of the $K^{+} ightarrowπ^{+}ν\barν$ analysis of data collected in 2017 by the NA62 experiment at CERN. Two ranges of $X$ masses, $0$-$110\, ext{MeV}/c^{2}$ and $154$-$260\, ext{MeV}/c^{2}$, and lifetimes above $100\, ext{ps}$ are considered. The limits set on the branching ratio, $ ext{BR}(K^{+} ightarrowπ^{+}X)$, are competitive with previously reported searches in the first mass range, and improve on current limits in the second mass range by more than an order of magnitude.

研究动机与目标

• 利用现有的NA62实验数据，搜索奇异衰变 $K^{+} \to \pi^{+}X$ 中长寿命、弱相互作用的粒子 $X$。
• 改进现有实验对分支比 $\text{BR}(K^{+} \to \pi^{+}X)$ 的限制，特别是在154–260 MeV/$c^2$ 质量范围内。
• 约束标准模型之外的基准模型，例如与希格斯玻色子混合的暗标量以及轴子样粒子（ALPs）。
• 将 $K^{+} \to \pi^{+} \nu\bar{\nu}$ 分析框架用于探测 $X$ 介导衰变的信号，充分利用高精度轨迹重建与顶点重建技术。

提出的方法

• 本分析复用了NA62在2017年数据运行中 $K^{+} \to \pi^{+} \nu\bar{\nu}$ 事件选择与重建框架。
• 采用专门设计的顶点重建算法，识别来自长寿命 $X$ 粒子在 $K^{+} \to \pi^{+}X$ 衰变中产生的位移顶点。
• 在两个质量范围内进行搜索：$0$–$110$ MeV/$c^2$ 和 $154$–$260$ MeV/$c^2$，要求寿命超过100 ps。
• 背景通过控制区域和蒙特卡罗模拟估算，共观测到两个候选事例，与预期背景一致。
• 采用轮廓似然法，在90%置信水平下对 $\text{BR}(K^{+} \to \pi^{+}X)$ 设定上限。
• 结果在两个基准模型背景下进行解释：与希格斯玻色子混合的暗标量 $S$（BC4模型）和具有费米子耦合的轴子样粒子（ALP）（BC10模型）。

实验结果

研究问题

• RQ1 在质量范围0–110 MeV/$c^2$ 和154–260 MeV/$c^2$ 内，长寿命、弱相互作用的粒子 $X$ 的分支比 $\text{BR}(K^{+} \to \pi^{+}X)$ 当前的限制是什么？
• RQ2 NA62实验在154–260 MeV/$c^2$ 范围内获得的新限制与以往搜索相比如何？
• RQ3 在 $K^{+} \to \pi^{+}X$ 衰变中，这些结果对暗物质或隐秘 sector 模型（如BC4和BC10模型）的约束程度如何？
• RQ4 NA62实验中 $K^{+} \to \pi^{+} \nu\bar{\nu}$ 分析框架是否能有效用于探测长寿命 $X$ 粒子产生的位移顶点？

主要发现

• 在 $K^{+} \to \pi^{+}X$ 搜索中观测到两个与背景一致的候选事例，未发现显著过量。
• 对于质量在160–250 MeV/$c^2$ 之间且寿命超过5 ns的 $X$ 粒子，$\text{BR}(K^{+} \to \pi^{+}X)$ 的上限在90%置信水平下达到 $5 \times 10^{-11}$。
• 新限制在154–260 MeV/$c^2$ 质量范围内将先前的约束提高了超过一个数量级。
• 该结果为质量范围 $m_S \sim 160$–$250$ MeV/$c^2$ 的BC4模型（与希格斯玻色子混合的暗标量 $S$）提供了迄今为止最严格的约束。
• 对于BC10模型的轴子样粒子，本研究在耦合常数 $g_Y$ 和质量 $m_a$ 的参数空间中设定了新限制，尤其针对长寿命ALP。
• 该分析展示了NA62实验通过重新诠释精确稀有衰变测量，对长寿命、弱相互作用粒子具有高度敏感性的能力。