K → π γγ 崩壊の研究++吉岡 瑞樹
Contents :- Introduction- BNL-E949 Experiment- Offline Analysis- Results- Conclusion
http://www.phy.bnl.gov/e949
3/8/2005

科研費特定領域 第三回研究会

1Physics Motivation- カイラル摂動理論(低エネルギーQCDの有効場理論)の実験的検証。
- 特異な運動量分布 (confirmed by previous experiment)- 高次の補正の有無 (not confirmed yet)
静止K+ 崩壊からのπ+ 運動量分布

今回の探索領域

zoom>213MeV/c

実線 : 高次補正有り

破線 : 高次補正無し− Pπ + > 213MeV/c は高次補正の有無を確認するのに良い領域。
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2Experimental Status
静止 K+崩壊から生成される荷電粒子の運動量分布π +π0- バックグラウンド
K+→π+π0 ;π0 →γγ(Kπ2崩壊)- 終状態が同一- 分岐比 21%- E787(前実験) : 探索領域を2つに分割− π +γγ (1) : Kπ 2 peak より上の領域− π +γγ (2) : Kπ 2 peak より下の領域
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3Experimental Status(Cont.)• Results from E787

PRL79(97)4079− Br (π +γγ (1)) < 5.0 ×10 −7 (90% C.L.)
No event was ovserved.
− Br (π +γγ (2))= (6.0 ± 1.5( stat.) ± 0.7( syst.)) ×10 −7
31 events with background 5.1 ± 3.3.

観測された３１事象はカイラル摂動論を支持。
しかしながら、高次補正なしと矛盾しない。
→ Kπ2 peak より上の領域で探索を続行 (BNL-E949実験)
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4BNL-E949 Experiment
側面図

断面図

- 稀崩壊 K + → π +νν とそれに付随する崩壊モードの研究。
- Stopped Kaon Experiment
K+ を測定器中で静止させ、その崩壊を観測する。
- E949検出器
円筒形、1-テスラの磁場中に設置(図：側面図、断面図の上半分)- 2002年度に収集したデータより++新しい K → π νν の候補を1事象発見。
E949 Collaboration, PRL 93, 031801 (2004)

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5Barrel Photon Detectors
側面図- Barrel Veto Liner
サンプリング・カロリメター。48セクターにセグメント。

- Barrel Vetoサンプリング・カロリメター。4層、48セクターにセグメント。

断面図

オフライン解析でフォトンの再構成(クラスタリング)に使われる。
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E949 Detector

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7Collected Data
• E949-2002年のランで、π+運動量のエンドポイント付近でのシグナルの観測を目的としたトリガーを新たに導入。

トリガー

Online Event Displayγπ• ターゲット中でK+が静止/崩壊。
• 荷電粒子のレンジがKπ2崩壊のものより長い。
• バレル領域でフォトンの検出。
• 荷電粒子に同期したactivityが他にない。
- ~25ev/spill, no prescale.
- Accumulated Kaons : ~1.192e12.
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高次補正があれば信号の観測が期待。
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Offline Signal Identification(1) 荷電粒子に対する要求- 運動学的パラメータ(運動量・レンジ・運動エネルギー)がK+→π+π0 崩壊のπ+ より高い( Pπ + > 213MeV/c) 。
- 荷電粒子がπ+ である(Particle ID)。
(2) フォトンに対する要求- バレル領域で再構成されたフォトン・クラスターの数が1個、または2個。
- エネルギーが高い方のフォトンはπ+に対して反対側で検出される。
(3) 入射ビームに対する要求- ターゲット中でK+ が静止・崩壊した。
- 他の入射ビームがK+ の崩壊時間にBeamline 検出器で同時計測されない。
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Signal Signature

Pπ + > 213MeV/c

π+ trackθπγ ≈ 180o
Higher Energy
Photonθ γγ ≈ 0o
Lower Energy
PhotonPhoton Cluster in Barrel

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9Background Estimation
運動量 vs レンジ

Search Regionイベント再構成後の荷電粒子の運動量・レンジの2次元分布
図中 は信号領域。
3/8/2005- バックグラウンドをそのメカニズムにより分類。
- 各バックグラウンドレベルをBifurcation Method(二股分割法)を用いて評価。
sourceBackground Level

Kpi2

0.017 ± 0.006 events

Overlap

0.065 ± 0.065 events

Muon

0.090 ± 0.020 events

1Beam0.025 ± 0.014 events

2Beam < 0.006(90% C.L.) events
Total

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0.197 ± 0.070 events
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Cut1

looserBifurcation Method (Example)

Cut
Position

Example : Kpi2 backgroundCut1 = フォトンに対するカット
Cut2 = 荷電粒子に対するカット

BDAC

信号領域

CutPosition

Cut2looser

2つのカットが独立ならば、
A:B=C:D↔ A = B ×C/Dが成り立つ。
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B
R=(C+D)/CN BG = B ×

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CB=
D R −111

Background Estimation
運動量 vs レンジ

Search Region

イベント再構成後の荷電粒子の運動量・レンジの2次元分布
図中 は信号領域。
3/8/2005- バックグラウンドをそのメカニズムにより分類。
- 各バックグラウンドレベルをBifurcation Method(二股分割法)を用いて評価。
sourceBackground Level

Kpi2

0.017 ± 0.006 events

Overlap

0.065 ± 0.065 events

Muon

0.090 ± 0.020 events

1Beam0.025 ± 0.014 events

2Beam < 0.006(90% C.L.) events
Total

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0.197 ± 0.070 events
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Correlation Check- Bifurcation Method で用いた2つのカットの独立性の確認- 2つのカットを同時に緩める。
- Background functionによる予測と信号領域の外側で実際に観測されたイベント数を比べる。
- Prediction
N(outside) = BC/D(M x N - 1)
- Background function→ カットポジションを変えて、各点でバックグラウンドとアクセプタンスを再評価する。

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Kinematics

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Photon13

Correlation CheckKπ2• : prediction• : observation- 観測されたイベント数はbackground functionの予測と良く一致している。

Muon→ Bifurcation Methodで用いた2つのカットの独立性が確認された。
= 評価されたバックグラ
ウンドは reliable。

Beam

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14Opening-the-Box
Real Data

Monte Carlo

信号領域
No signal
event is foundKπ2 backgrounds- 全選択条件を課した後の荷電粒子のレンジ・運動エネルギー分布
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15Single Event Sensitivity• Single Event Sensitivity (S.E.S)- Acceptance : 1.655×10-5(補正無し)、1.550×10-4(補正有り)- Target中でのK+ の静止効率 : 0.7541- # of K+ beam : 1.192×1012
Br(Theory) (10-9) S.E.S (10-9) Expected(events)
3.50
67.2
0.05
補正無し
11.8
7.18
1.64
補正有り
カイラル摂動理論の高次補正が存在すれば、S.E.S は予言値に達しており、1.64イベント観測が期待できた。
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16Results- カイラル摂動論及びPhase Spaceを仮定した場合各々について90% Confidence Levelの上限値を得た。

BR( K + → π +γγ , Pπ + > 213MeV/c) < 9.08 × 10 −9 (for ChPT O(p 6 ))< 2.29 × 10 −8 (for ChPT O(p 4 ))信号領域の下限値< 9.90 ×10 −9 (for Phase Space)- 高次補正の有無によらず、いずれもカイラル摂動論の予言値と矛盾しない結果となった。
- 前実験より7.6倍厳しい上限値を与えた。
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90% U.L.
ChPT O(p6)17Conclusion- カイラル摂動理論の高次補正の有無を確認するため、
BNL-E949実験が2002年に収集したデータを用いてK + → π +γγ ( Pπ + > 213MeV/c) の探索を行った。
- 信号領域でのバックグラウンドを評価するため、“Bifurcation Method” が用いられ、バックグラウンドの合計は0.197±0.070 イベントと見積もられた。
++K→πγγ 崩壊分岐比に対する上限値(90% C.L.)は、-BR( K + → π +γγ , Pπ + > 213MeV/c) < 9.08 × 10 −9 (for ChPT O(p 6 ))となり、 この崩壊モードに対して最も厳しい上限値を得た。
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