[论文解读] Searches for Lepton Number Violation and resonances in the $K^{\pm} o πμμ$ decays at the NA48/2 experiment

K. Massri|arXiv (Cornell University)|Jul 14, 2016

Particle physics theoretical and experimental studies被引用 4

一句话总结

本文利用CERN NA48/2实验2003–2004年的数据，对带电K介子衰变 $K^{ ext{--}} \to \pi\mu\mu$ 中的轻子数违反（LNV）衰变及共振新物理进行了搜索。在90%置信水平下，将LNV衰变 $K^{ ext{--}} \to \pi^{\mp}\mu^{\pm}\mu^{\pm}$ 的分支比上限设定为 $8.6 \times 10^{-11}$，相比之前的结果改善了超过一个数量级；并针对寿命低于100 ps的重中性轻子 $N_4$ 和膨胀子 $χ$ 等共振态，建立了分支比乘积的上限，范围在 $10^{-10}$ 至 $10^{-9}$ 之间。

ABSTRACT

The NA48/2 experiment at CERN collected a large sample of charged kaon decays into final states with multiple charged particles in 2003--2004. A new upper limit on the rate of the lepton number violating decay $K^{\pm} o π^{\mp} μ^{\pm} μ^{\pm}$ obtained from this sample is reported: $\mathcal{B}(K^{\pm} o π^{\mp} μ^{\pm} μ^{\pm})<8.6 imes 10^{-11}$ at 90\% CL. Searches for two-body resonances in the $K^{\pm} o πμμ$ decays (including heavy neutral leptons~$N_4$ and inflatons~$χ$) in the accessible range of masses and lifetimes are also presented. In the absence of a signal, upper limits are set on the products of branching ratios~$\mathcal{B}(K^{\pm} o μ^{\pm} N_{4})\mathcal{B}(N_{4} o π^{\mp}μ^{\pm})$ and $\mathcal{B}(K^{\pm} o π^{\pm} χ)\mathcal{B}(χ o μ^{+}μ^{-})$ as functions of the resonance mass and lifetime. These limits are in the $10^{-10}-10^{-9}$ range for resonance lifetimes below 100~ps.

研究动机与目标

• 在带电K介子衰变中搜索轻子数违反（LNV）衰变，特别是标准模型中被禁止的 $K^{\pm} \to \pi^{\mp}\mu^{\pm}\mu^{\pm}$ 衰变。
• 通过 $K^{\pm} \to \pi\mu\mu$ 最终态中的共振衰变，探测标准模型之外的新物理，如重中性轻子 ($N_4$) 和膨胀子 ($\chi$)。
• 对LNV衰变和共振衰变模式的分支比设定改进后的上限，为 $\nu$ MSM 模型和标量扩展模型提供约束。
• 为NA62实验未来的高精度测量稀有K介子衰变奠定基础。

提出的方法

• NA48/2实验利用114米长的衰变区和带有漂移室与多道计数器的磁谱仪，收集了大量带电K介子衰变为含多个带电粒子的末态样本。
• 扫描 $\pi\mu$ 和 $\mu\mu$ 对的不变质量分布，寻找可能指示共振衰变的窄峰，如 $K^{\pm} \to \mu^{\pm} N_4$ 后接 $N_4 \to \pi^{\mp}\mu^{\pm}$，或 $K^{\pm} \to \pi^{\pm}\chi$ 后接 $\chi \to \mu^{+}\mu^{-}$。
• 利用蒙特卡罗模拟进行信号接受度和背景估计，并对探测器效率和重建效应进行修正。
• 基于共振态质量与寿命的函数关系，结合观测事件数、预期背景和接受度，推导出分支比乘积的上限。
• 使用Z分数公式评估潜在信号的统计显著性：$ z = \frac{N_{\text{obs}} - N_{\text{exp}}}{\sqrt{\delta N_{\text{obs}}^2 + \delta N_{\text{exp}}^2}} $，未发现超过3σ的信号。
• 评估系统误差，主要贡献来自蒙特卡罗模拟精度（1.0%）和相关衰变分支比的不确定性。

实验结果

研究问题

• RQ1 轻子数违反衰变 $K^{\pm} \to \pi^{\mp}\mu^{\pm}\mu^{\pm}$ 的分支比上限是多少？
• RQ2 在 $K^{\pm} \to \pi\mu\mu$ 衰变道中，能否观测到涉及重中性轻子 ($N_4$) 的共振衰变的证据？
• RQ3 作为 $N_4$ 质量和寿命函数的 $\mathcal{B}(K^{\pm} \to \mu^{\pm} N_4) \mathcal{B}(N_4 \to \pi^{\mp}\mu^{\pm})$ 分支比乘积的约束是什么？
• RQ4 在 $K^{\pm} \to \pi\mu\mu$ 衰变中，对类似膨胀子的共振态 $\chi$，$\mathcal{B}(K^{\pm} \to \pi^{\pm}\chi) \mathcal{B}(\chi \to \mu^{+}\mu^{-})$ 的上限是多少？
• RQ5 与先前结果相比，这些结果如何？对 $\nu$ MSM 和标量扩展模型有何影响？

主要发现

• 在90%置信水平下，轻子数违反衰变 $K^{\pm} \to \pi^{\mp}\mu^{\pm}\mu^{\pm}$ 的分支比上限为 $8.6 \times 10^{-11}$，相比之前最佳结果改善了超过一个数量级。
• 在 $\pi\mu$ 和 $\mu\mu$ 对的不变质量谱中未观测到显著信号，所有质量假设下的局部显著性均低于3个标准差。
• 对于寿命低于100 ps的共振态，$\mathcal{B}(K^{\pm} \to \mu^{\pm} N_4) \mathcal{B}(N_4 \to \pi^{\mp}\mu^{\pm})$ 的上限范围为 $10^{-10}$ 至 $10^{-9}$。
• 对于寿命低于100 ps的共振态，$\mathcal{B}(K^{\pm} \to \pi^{\pm}\chi) \mathcal{B}(\chi \to \mu^{+}\mu^{-})$ 的上限同样处于 $10^{-10}$ 至 $10^{-9}$ 范围。
• LNV分支比上限的总系统误差为1.5%，主要来自蒙特卡罗模拟精度（1.0%）和分支比不确定度。
• 这些结果对包含重中性轻子和标量膨胀子的模型提供了强有力约束，对 $\nu$ MSM 和电弱对称性自发破缺的场景具有重要意义。