K + → π +νν 崩壊分岐比の測定~ K + → π +νν 崩壊の研究における最近の結果 ~関口 哲郎
KEK, IPNS
E949 Collaboration

Contentsz 稀崩壊 K+→ π +ννz BNL-E949
z データ解析z 物理結果z まとめ

2005年3月8日

科研費特定領域第3回研究会＠エポカルつくば

1

稀崩壊 K → π νν++K + → π +νν 崩壊（s → d クォーク遷移） ＝ フレーバーを変える中性カレント反応

VtdtsdW−W+νlνz 1次の反応は禁止される
z 2次の反応：トップクォークの寄与が大⇒ Vtdに結合z 崩壊分岐比における理論の不定性〜7%

K + → π +νν 崩壊： Vtdを精度良く決定できる崩壊の一つ。

2005年3月8日

科研費特定領域第3回研究会＠エポカルつくば

2

K → π νν 崩壊の探索++標準理論の予言値：

BR( K + → π +νν ) = (0.78 ± 0.12) ×10 −10[ A.J. Buras et al, arXiv:hep-ph/0405132 (2004) ]実験的にはBNL-E787が2イベントを検出。
−10BR( K + → π +νν ) = 1.57 +−10..75×1082[ S. Adler et al, Phys. Rev. Lett. 88, 041803 (2002) ]BNL-E949: BNL-E787のビーム・測定器等を増強し、より精度良く崩壊分岐比の測定を行う。

2005年3月8日

科研費特定領域第3回研究会＠エポカルつくば

3K中間子稀崩壊実験BNL-E949
BNL-E949 ＝ 静止K+崩壊実験
シグナル ＝ 静止K+崩壊 → π+ + nothing

シグナル領域： 211< P < 229 MeV/c
2体崩壊:
K+→π+π0 (Kπ2)
K+→μ+νμ (Kμ2)の間の領域

K+崩壊における荷電粒子の運動量スペクトル（K+の静止系で表示）

2005年3月8日

科研費特定領域第3回研究会＠エポカルつくば

4静止K+崩壊の確認

K+はプラスチックシンチレーションファイバーのターゲット中で静止する。

静止K+崩壊ターゲットに入射してから崩壊するまでに2ナノ秒以上を課すことにより、K+の静止を要求する。

ビームバックグラウンド

2005年3月8日

科研費特定領域第3回研究会＠エポカルつくば

5π+の運動量・運動エネルギー・レンジの測定
運動量

Kπ 2

Kµ2

運動エネルギー

レンジ

測定器全体に1Tの磁場⇒ ドリフトチェンバーで運動量測定
レンジ・スタック：
19層、24セクターのプラスチックシンチレーター⇒ 運動エネルギー・レンジを測定。

2005年3月8日

Kπ2に対する分解能：
運動量〜1.1%
運動エネルギー 〜2.8%
レンジ〜2.8%

科研費特定領域第3回研究会＠エポカルつくば

6π+の識別（π+→μ+→e+崩壊連鎖の検出）
レンジ・スタックのシンチレーター信号は、500MHz Waveform digitizerで波形が記録される。

波形解析により、π+が静止したレンジ・スタックのカウンターでπ+→μ+→e+崩壊連鎖を検出する。

2005年3月8日

科研費特定領域第3回研究会＠エポカルつくば

7γ線等を含むイベントの除去
z K+の崩壊点を覆う光子検出器。
 バレル部： 鉛/プラスチックシンチレーターのサンプリング・カロリメーター
 エンドキャップ部： CsI カロリメーター
 ビームライン周辺
 レンジスタック及びターゲットz 崩壊時間と同時に光子・その他の粒子が検出されたイベントを除去。
z E949では、新しい光子検出器を導入。
 バレル部にサンプリング・カロリメーター

E949

E787×2⇒ 2.3輻射長が追加。
 ビームライン周辺の光子検出器

Kπ2に対するRejectionが2倍に向上。
2005年3月8日

科研費特定領域第3回研究会＠エポカルつくば

8

E949 2002年のデータ収集
E787 1998

E949 2002z E787に比べてビーム強度は2倍。

スピル長（秒）

2.22.2z ビーム・コンディションは必ずしもビーム周期（秒）

4.2

5.4

Duty factor(%)

52

41

K+崩壊数/スピル

2.1×106

3.9×106

K+/π+比43

良くなかった。

しかしながら、2倍のビーム強度でも測定器のパフォーマンスは良く、スムーズなデータ収集を行った。
収集したデータ = 1.8×1012 K+崩壊
⇒ E787の全データ(5.9×1012)の30%に相当。
2005年3月8日

科研費特定領域第3回研究会＠エポカルつくば

9データ解析
バックグラウンド：z K+→π+π0 (Kπ2)
z Muon バックグラウンド： Kμ2 Range Tail
 K+→μ+νγ (Muon Band)z ビームに起因するバックグラウンド

解析手法：
z Blind analysis
z リアルデータを用いてバックグラウンド解析を行う。
z バックグラウンド解析におけるバイアスを低減するために、全データの1/3のサンプル ⇒ カットの決定
2/3のサンプル ⇒ バックグラウンド・レベル
z Likelihood analysis
2005年3月8日

科研費特定領域第3回研究会＠エポカルつくば

10

Background Characterization（Muonバックグラウンド）
MuonバックグラウンドのKinematics:
Muon Band

Range Tail

Range deviation χR-P
R − Rexp ( P )χ R − P ≡ measσ R ( P)

Range deviation

運動量 P

Rexp(P)

π+→μ+→e+崩壊連鎖の検出
ニューラル・ネットワークを用いた
シグナル・バックグラウンドの分離

2005年3月8日

科研費特定領域第3回研究会＠エポカルつくば

11実験感度およびバックグラウンド・レベル
アクセプタンスおよび実験感度
E787

E949

K+崩壊数(1012)

5.9

1.8×0.305

アクセプタンス(%)

0.20±0.02

0.22±0.02×1.1

実験感度 (10-10)

0.83

2.6×0.336

バックグラウンド・レベル
Source
E787E949

Kπ20.032

0.216±0.023

Muon

0.064

0.068±0.006

Beam

0.050

0.013±0.003

Total

0.14±0.05

0.297±0.026

カット、バックグラウンド・レベルが全て決定したので、シグナル領域を探索する準備は完了。
2005年3月8日

科研費特定領域第3回研究会＠エポカルつくば

12シグナル領域の探索
全てのカットをかけた後に残るイベントのレンジ vs. 運動エネルギー分布。
1イベントがシグナル領域に残った。
Signal Region

unvetoed K+ J π+ π0

運動量 (MeV/c)

227.3

運動エネルギー (MeV)

128.9

レンジ (cm)

39.2
4.3

K+ → π+崩壊時間 (ナノ秒)+ → µ+崩壊時間 (ナノπ秒)µ+ → e+崩壊時間 (ナノ秒)
PhotonExtra beam

2005年3月8日

科研費特定領域第3回研究会＠エポカルつくば

6.21370.5NoNo

13

イベント・ディスプレイ

Charged trackが静止したレンジ・スタック
シンチレーターの波形

Charged trackの再構成

ターゲットにおけるCharged trackの再構成
2005年3月8日

科研費特定領域第3回研究会＠エポカルつくば

14K + → π +νν 崩壊分岐比の測定
Likelihood analysis:
シグナル領域を小さなセルに分割し、イベントが検出されたセルにおけるシグナル・バックグラウンド比から崩壊分岐比を算出。
E787とE949のデータを合わせると、−10BR( K + → π +νν ) = 1.47 +−10..3089 × 10(68% CL interval)が得られた。
E949

E787
Candidate

1995A

1998C

2002A

Si / bi50

70.9

Wi ≡ Si / (Si + bi)

0.98

0.880.48

Background prob.

0.006

0.020.07

2005年3月8日●: Signal MC▲: E949 data○: E787 data

実線： E949のシグナル領域
点線： E787のシグナル領域

科研費特定領域第3回研究会＠エポカルつくば

15BR( K → π νν ) = 1.47+++1.30− 0.89× 10−10(68% CL int.)

K + → π +νν 分岐比測定の変遷

Vtdへのリミット
0.0056 < |Vtd| < 0.0266 ⇔ 他の測定からのリミット: 0.0048 < |Vtd| < 0.014 (90% CL)
2005年3月8日

科研費特定領域第3回研究会＠エポカルつくば

16

まとめ
z BNL-E949: 稀崩壊 K+→ π +νν の探索実験。

z E787のビーム、測定器等を増強。
z 2002年にデータ収集：1.8×1012のK+崩壊に相当するデータを収集。
z 実験感度＝2.6×10-10、バックグラウンド・レベル＝0.30±0.02 events。
z Likelihood analysisによる崩壊分岐比測定。
z シグナル領域の探索の結果1イベントが検出され、E787とE949のデータ+1.30を合わせると、 1.47 −0.89 × 10

2005年3月8日−10（68%CL）の崩壊分岐比が得られた。

科研費特定領域第3回研究会＠エポカルつくば

17