[论文解读] The $K^+ ightarrow \pi^+ u \bar{ u}$ decay in the NA62 experiment at CERN

A. Romano|arXiv (Cornell University)|Nov 24, 2014

Particle physics theoretical and experimental studies参考文献 2被引用 6

一句话总结

本文介绍了CERN的NA62实验，旨在利用高强度75 GeV/c K⁺束流、先进的粒子鉴别技术以及多层背景抑制系统，以10%的精度测量稀有衰变K⁺ → π⁺ νν。其主要贡献在于详细的设计策略与探测器配置，实现了10¹²量级的背景抑制，对探测标准模型之外的新物理至关重要。

ABSTRACT

The main aim of the NA62 experiment at CERN is to study the rare $K^+ \ ightarrow \\pi^+ \ u \\bar{\ u}$ decay and measure its Branching Ratio (BR) with $10%$ precision. Due to its theoretical precision, this decay is an excellent probe to test the presence of New Physics (NP) at the highest scale complementary to LHC. At less than one month from the starting of the NA62 pilot run, the motivations, strategy and status of the experiment are described.

研究动机与目标

• 以10%的精度测量稀有K⁺ → π⁺ νν衰变的分支比。
• 通过精确的味敏感稀有衰变探测标准模型之外的新物理。
• 通过运动学重建、粒子鉴别和伽马射线甄别，实现10¹²量级的背景抑制因子。
• 在2015–2017年全量数据采集前，通过预运行验证探测器性能。
• 提升对超出LHC探测能力的新物理尺度的敏感度。

提出的方法

• 利用飞行中的75 GeV/c K⁺束流提升信号探测效率与运动学分辨率。
• 采用多级触发系统（L0、L1、L2）将数据率从∼10 MHz降低至∼10 kHz。
• 应用平方缺失质量变量m²_miss = (PK − Pπ⁺)²识别信号事例。
• 利用RICH探测器实现π⁺/μ⁺分离，对K⁺ → μ⁺ νμ背景实现10²量级的抑制。
• 部署综合伽马射线甄别系统（LAV、LKr、IRC、SAC）以排除K⁺ → π⁺ π⁰ → π⁺ γγ衰变。
• 集成冗余探测器系统（GTK、STRAW、MUV）以实现高精度轨迹重建与μ⁺抑制。

实验结果

研究问题

• RQ1 NA62实验能否在测量BR(K⁺ → π⁺ νν)时达到10%的精度？
• RQ2 为隔离稀有的K⁺ → π⁺ νν信号，所需且可实现的背景抑制水平是多少？
• RQ3 运动学重建与粒子鉴别在排除主要K⁺衰变背景方面有多高效？
• RQ4 探测器系统能否在保持低死时间和高数据可靠性的同时应对高束流强度？
• RQ5 K⁺ → π⁺ νν衰变对标准模型之外的新物理的预期灵敏度如何？

主要发现

• NA62探测器于2014年9月全部安装完毕，预运行于2014年10月6日启动。
• 该实验设计在三年数据采集期内收集约100个信号事例。
• 通过运动学选择、粒子鉴别与伽马射线甄别，可实现10¹²量级的背景抑制因子。
• 信号通过一个与束流K⁺匹配的单一正π⁺轨迹识别，且无其他探测粒子。
• L0触发将数据率从∼10 MHz降低至∼1 MHz，最终L2触发输出约10 kHz。
• SM对BR(K⁺ → π⁺ νν)的预测值为(7.81 ± 0.75 ± 0.29) × 10⁻¹¹，当前实验值为1.73⁺¹.¹⁵₋₁.⁰⁵ × 10⁻¹⁰。