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2007/03/23 名古屋大学 学術創生報告会 1
崩壊の精密測定 と その物理 ーミュー粒子の異常磁気能率ー
2007.03.23 (名古屋大学)科学研究費(学術創生)報告会
林井 久樹(奈良女子大学)
2007/03/23 2
目次
背景異常磁気能率とは?ミューオン異常磁気能率(実験と理論の現
状) の結果
2007/03/23 3
1、異常磁気能率とは?1、異常磁気能率とは?
電子(ミュー粒子)の持つ磁気能率 μ と外部磁場 B との相互作用
電子のスピン 磁気能率の大きさを示す
量 磁気回転比 g因子 ボーア磁子
2007/03/23 4
ディラックの相対論的量子力学によると電子では 整数の2!実際には は 2 からわずかにずれる 0.1 %
程度 異常磁気能率異常磁気能率、
g-2g-2 次元のない量、単位を持たな
い量 量子補正効果が起源量子補正効果が起源
2007/03/23 5
スピン歳差振動数 ωs
サイクロトロン振動数 ωc
アノーマリー(異常)振動数 ωa= ωs –ωc
Z軸スピン歳差運動
サイクロトロン振動
なぜ、2で割るか?
2007/03/23 6
ならば運動量とスピンは常に同一方向 ヘリシティ保存
なのでスピンの歳差運動の方が早く動く
Figures from Herzog’s talk
@Tau06 workshop
Momentum
Spin
e
BNL 2004
2007/03/23 7
ミューオンの異常磁気モーメント( 理論)
ミューオンの異常磁気モーメント:2
2
ag
電磁相互作用
ハドロン
光子・光子散乱過程
ハドロン
,( ) haQED had LBLdrona a a EW aa
Z
弱い相互作用 ハドロンの真空偏極
a
2007/03/23 8
理論理論
QED α の 8 次(4 loop) までと 10 次 (5loop) の一部 (Kinoshita, Nio, Hayakawa)
Weak 2 loop の寄与まで 以上 2 項については、まず、
問題なし。
Hadron ~60ppm の寄与 この精度をあげることが非常に
難しい
ha weakQED d2
2
ga aaa
2007/03/23 9
電子の場合、 10 次では 12672 のファインマン図!
set I set II set III 208 diagrams 600 diagrams 1140 diagrams
set IV set V set VI 2072 diagrams 6354 diagrams 2298 diagrams 電子異常磁気能率には、どの図形も平等に寄与する。 By Nio 全 12672 図形を評価しないといけない。
The leading contribution to muon g-2 is reported by T. Kinoshita and MN hep-ph/0512330, PRD 73, 053007 (2006)
2007/03/23 10
389 self-energy like diagrams by Nio
2007/03/23 11
ハドロンの理論 量子色力学 QQCD
格子 QQCD での大型計算機による計算 いまのところ必要な精度まで計算できない ~60ppm±0.1ppm とうてい無理ハドロンの真空偏極 他の実験データから計算可能 e+ e- ハドロン CMD-2, KLOE
τ 粒子 ハドロン Belle, ALEPH ( CVCを仮定)
modeis dominated
2007/03/23 12
(g-2)/2: Theory vs. Experiment
Contribution a, 10-10
Experiment 11659208.0±6.3
QED 11658471.8±0.016
Electroweak 15.4±0.1±0.2
Hadronic 693.1 ± 5.6 (e+e-)
Theory 11659180.3±5.6
Exp.-Theory 27.7±8.4(3.3 )
ICHEP-2006 (M. Davier et al.) :
Exp-Theory is 3.3!.
(K.Hagiwara et al.,hep-ph/0611102, claim even 3.4)
A hint to New physics beyond the Standard Model ?
2007/03/23 13
実験値と理論値の比較 M. Davier’s talk @ Tau06
3.3 3.3 標準偏差標準偏差
の差異!の差異!
超対称性?
余剰次元?
New Physics?
a μ[exp]-a μ[theory]=(27.5 ±8.4 ) X10-10
2007/03/23 14
新物理の寄与
aSUSY = 13x10-10 (100GeV/MSUSY)2xtan x sign()
For MSUSY = M=m0
By A. Czarnecki and W. Marciano (2001)
-> も似たダイアグラムが寄与
2007/03/23 15
超対称性粒子に対する感度 WMAP, a, b s
Similar work by
J. Ellis,K. Olive et al.(2003) 、 H. Baer, X. Tata et al.(2003)
Ref. Phys.Lett.B568 (2003)55,
A.Lahanas and Nanopoulos
0.094<h2<0.129
(LSP density; WMAP)
asusy=(36+
-11)x10-10
Excluded
by b s
asusy=14x10-10(-2)
2007/03/23 16
Muon anomalous magnetic moment(a)
not yet published
not yet published
preliminary
+ -e e Exp.
BNL E821 (2004):a
exp = (11 659 208.0 5.8) x10 10
aa=(g-2)=(g-2)/2/2
ICHEP-2006(M.Davier et al.): a(exp)-a(th) is
( K.Hagiwara et al.,hep-ph/0611102,claim even 3.4
A hint to New Physics beyond the SM!?
3.3
How about the data
2007/03/23 17
Relative difference between and e+e – data:
No correction for ± –
0 mass (~ 2.3 ± 0.8 MeV) and width (~ 3 MeV) splitting applied
Jegerlehner, hep-ph/0312372Davier, hep-ex/0312064
Average
=ALEPH +CLEO
2007/03/23 18
2
2
4
(0)( )
( )
m
K sv sa ds
sspectral function
0
2s M
: fine structure constant
2 22 2 2
2
1 1( ) 1 (1 ) 1 ln (1 ) ln
2 2 1
x x xK s x x x x x x
x x
21
, 1 4 /1
x m s
2
0
2
0
0
2
12
2
21 1
6)
1(
eud EW
Bm s s dN
B m mV NSv s
ds
What should be measured
Branching Fraction Mass Spectrum
2007/03/23 19
/ KL detection
14/15lyr. RPC+Fe
Central Drift Chamber Tracking +dE/dxSmall cell +He/C2H 6
CsI(Tl)16X0
Si vtx. det.
3 lyr. DSSD
TOF counter
SC solenoid 1.5T
8 GeV e
3.5 GeV e
Good tracking and particle identification
Belle detector Experiment apparatus :
0 mass resolution; ~ 5 -8MeV
Aerogel Cherenkov cnt.
n=1.015~1.030
2007/03/23 20
event selectione e
event selection0
distribution 0
unfolding ( correct the detector effect )
DATA
unfolded distribution0
Extract pion form factor
72.2/fb
evaluation of the ,2hada
解析の流れ
従来の20倍のデータ
2007/03/23 21
one charged track in the event hemisphere. one 0 in the event hemisphere. No additional with E≥200MeV Tag-side condition
Tag-side : 1 prong and no
Event Selection
Low multiplicity: Number of charged tracks : 2 or 4, net charge=0 Beam background rejection: Event Vertex Position Physics background rejection:
Use Missing Mass and Missing Angle information.(Bhabha,2photon)Low track and gamma multiplicity. (qq continuum)
e+e+Selection
Selection
charged track
2007/03/23 22
Belle で観測される代表的な 事象
1-3 事象 1-1事象
2007/03/23 23
崩壊の例
2007/03/23 24
0 Signal
0
0MeV: (134.98 )m
Mass :
:
m
m
invariant mass distribution
resolution of
6 5S Signal region
9 7
7 9
S
S
right:left:
Sideband region
Sideband region is used to estimate the non-0 background
0( )m mS
5.55×106 events
ee72.2/fb data at s 10.58GeV
2007/03/23 25
B.G. estimated by MCnon- B.G.
feed across B.G.
m2 distribution
0h2
0K
tag side
1 charged track
no +
0
0
h 2 5.87%
K 1.76%
0.25 0 2%qq .0 Tau mass limit
2 2( / )GeV c± 0 2(Mπ π ) (0)
2007/03/23 26
Acceptance ( including tagging efficiency)
Data are Unfolded with the Singular Value Decomposition (SVD) method.
Acceptance
M0(observed)
M
0(ge
nera
ted)
(GeV
)2
(GeV)2
0 0
2 2V.S. gen obs
M M
± 0 2(Mπ π ) 2 2( / )GeV c
2007/03/23 27
0
00
2
2
2
ud EW e2 2
6 V S(s
dN1N
s 2s1 1
s m md)
m
v
23(s
F(s)12
))
(s0
v
Mass spectrum after Unfolding
Mass spectra
Phase space
Form Factor
um
ber
of e
ntri
es /0
.05
(GeV
/c2 )
2
± 0 2(Mπ π ) 2 2( / )GeV c
2007/03/23 28
’ ”
± 0 2(Mπ π )2 2( / )GeV c
2F
Fit with BW Forms. →Next slide
Pion Form Factor|Fπ|2
Dip at s=2.5 GeV2
Interference between ’and ”
Log scale
2007/03/23 29
Pion Form Factor|Fπ|2(linear scale)
From 64Mpairs, Belle selects 5.5M events!
BelleB (25.15 0.04 0.31)%
ALEPHB (25.471 0.097 0.085)%
Error bars include both stat. and sys. errors.
2007/03/23 30
Systematic for the dN/ds distribution
The number indicates a relative systematic errors: ( N – Nref)/ Nref
M2 1st bin threshold region ’ region ” region
UNF① 0.0546 0.0069 0.0004 0.0232 0.0871
UNF② 0.0263 0.0019 0.0022
0.0037 0.1693
BKG① 0.0113 0.0007 0.0002 0.0008 0.0488
BKG② 0.0490 0.0050 0.0010 --- 0.0060
BKG③ 0.2520 0.0280 --- --- ---
Accept. 0.0536 0.0004 0.0032 0.0016 0.0005
ENS 0.0124 0.0036 0.0031 0.0408 0.0167
Total 0.270 0.030 0.005 0.005 0.197
2007/03/23 31
Systematic in the mass distribution
Unfolding procedure Checked by Signal MC ( UNF① )Unfolding condition : value±5 ( UNF② )
Acceptance (Accept.)0 efficiency ±3%Effect of -track isolation
¤ Change a cut on the cluster-track distance ( default and tighter one(30cm ) )
Momentum or energy scale (ENS)Change Eby it’s uncertainty estimated from
the mass peak position.±0.2 % )
2007/03/23 32
Systematic in the mass distribution
Background continuum BG (BKG )①
¤ estimate at the mass region higher than m
¤ uncertainty is estimated to be 10%Feed down BG (BKG ) ②
¤ dominated by ¤ systematic is estimated by changing the Br in PDG by
1non-0 BG (BKG )③
¤ dominated in the low (M0)2region.
¤ In this region, the size of the non-0 background in the lower Mside is different between data and MC. This differences is estimated as a systematic.
2007/03/23 33
|F|2 : results
2007/03/23 34
Two kinds of fits applied: Fixed Make a free parameter
2&
2
( ) ( )
( ) ( ) ( )
G S d s s
BWs f s i s
M
M s
M
1
( ) ( )1
F s BW BW BW
, : mass and width
, : mass and width
, : mass and width
, : amplitude
, : ampli
M
M
M
tude
fit parameter
Gounaris-Sakurai(GS) parameterization
(770), ’(1400), ’’(1700)
Fitting by BW formula
The normalization of the GS form is given by
2F (0) 1
2F (0)
2F (0) 1
2007/03/23 35
Fit resultfit parameter Norm fixed all free
Norm 1.0 (fixed) 1.08±0.02±0.04
774.5±0.2±0.5 775.7±0.3±0.5
147.5±0.4±1.7 147.8±0.5±1.7
1438±7±28 1405±15±26
439.4±15.6±60.0 523±27±57
0.149±0.049±0.146 0.141±0.013±0.159
195.9±4.0±41.0 152.1±9.1±50.0
1720±17±89 1684±41±89
176±21±89 314±36±50
0.040±0.006±0.065 0.090±0.014±0.059
13±7±118 -30±13±136
60/52 34/51
(deg ) ree2 / . . d o f
(deg ) ree
( )M MeV
( ) MeV
( )M MeV
( ) MeV
( )M MeV
( ) MeV
2F (0)
2007/03/23 36
Comparison with ALEPH,CLEO
BELLE & ALEPH
BELLE & CLEO
Ref: Phys. Rep.421 (2005) 191 Ref: Phys. Rev. D61, 112002(2000) 1
Agree with other exp. data.
Our result is more precise especially in high mass region.
± 0 2(Mπ π )2 2( / )GeV c ± 0 2(Mπ π )
2 2( / )GeV c
2F2
F
2007/03/23 37
これまでの データとの比較 ( ALEPH,CLEO と Belle )
M < 0.8 GeV2;
consistent each other.
M2
> 0.8 GeV2
;
Belle-CLEO consistent,
ALEPH is higher.a
is dominated in the
lower M2
region.
2007/03/23 38
Isospin breaking correction is necessary.
(-1.8 ± 2.3)x10-10
a (2) from Belle data2 2 20.25GeV m m For
- interference effects in the phase space in the width
0m m
c.f.
rad
e e (CMD2)
a (2 ) 440.8 4.9 1.6
BR SU(2)SF464.
(ALEPH,CLEO)
a (2 ) 2.3 2.30 2.2
Ref. Eur.Phys.C27,497(2003)
SF BR SU(2)457.2 1.a (2 ) 2.3 35 2. 10100m m
Ref.Phys.Lett.B513,361(2001)
SF: structure function error, BR: Br error,
SU(2):SU(2) breaking correction error
Most precise on structure function (SF) measurementConsistent with previous data.
,Difference between and e+
e- exist in rhis mass region.
2007/03/23 39
Summary We measure a precise 2 spectru
m in -decay using high statictis Belle data.
A clear’’(1700) signal and it’s interference pattern are observed in the first time.
There is difference in a2 between -d
ata and e+e- data yet.
2007/03/23 40
Backup
2007/03/23 41
KEKB ColliderHigh LuminosityAsymmetric energy collider
8GeV :e- + 3.5GeV:e+
s = 10.58GeV ((4S))
e+e-S Integrated Luminosity: ~ 550 fb-
1
~ 30fb-1 => off-resonance
L>1.6x10L>1.6x103434cmcm-2-2ss-1 -1 !!!!
KEKB ColliderBelle detector
KEKB
Experiment apparatus :
2007/03/23 42
M distr.
0.05<(M0)2<0.10 0.10<(M0)2<0.15 0.15<(M0)2<0.20
0.25<(M0)2<0.30 0.30<(M0)2<0.35 0.55<(M0)2<0.60
F=Data/MC
F=1.375F=1.33 F=1.565
F=1.4 F=1.25 F=1
2007/03/23 43
New MC set New MC (including ” for 2pi channel) Increase Continuum B.G. MC
Require the strong cut for tag side 1charged track + no
Subtract remaining Background (0) Br=0.51%
() Br=0.27%
0KL Br=0.72%
¤ dominated in the low mass region ¤ repeat acceptance correction/fitting
Systematic estimation Update non-pi0 background
Draft and Tables ( and |F|2)
Update point
1 dN
N ds
2007/03/23 44
Mass spectrum results 1 dN
N ds
2007/03/23 45
Ratio of data/fit
2007/03/23 46
Systematic of resonance parameters
Source of systematics
’
’
’’ ’’
Fit bias 0.3 1.6 25 49 0.028 4 75 10 0.038 13
Unfold 0.3 0.3 4 24 0.001 4 11 14 0.002 12
B.G. 0.3 -- 11 25 0.143 41 13 86 0.053 117
Acceptance -- 0.1 1 4 --- 0.6 0.1 7 --- 1
Momentum scale
0.3 0.6 2 1 --- 2 45 15 --- 1
total 0.5 1.7 28 60 0.146
41 89 89 0.065
118
(MeV) (MeV) (MeV)(MeV) (deg.) (MeV) (MeV) (deg.)
“Fit bias” is checked by fitting the signal MC sample, where resonance parameter is known.
2007/03/23 47
2、電子の異常磁気能率2、電子の異常磁気能率実験実験ワシントン大学デーメルトのグループ 単一電子を電磁場内で捕獲する Penning Trap 1989 年ノーベル賞
B. Odom, Harvard U Ph.D thesis 2005より再掲
2007/03/23 48電磁捕獲内の電子の振動モード
Z軸
Z軸に沿った振動スピン歳差運動
電子
サイクロトロン振動
静電ポテンシャル
2007/03/23 49
ハーバード大学ガブリエルス Penning Trap の形状を筒型に変更し、 最大の実験誤差を縮小した。 実現までに 20 年 2006 年 7 月発表
髪の毛の太さ 地球の円周
87 年のワシントン大学の値を約 6 倍改良 3 年以内には、外部磁場の改良等により さらに 3 倍の改良を見込む
2007/03/23 50
微細構造定数 αα の値の比較 G. Gabrielse et al. Phys. Rev. Lett.
(2006)
より再掲
2007/03/23 51
Brookhaven National Laboratory 2004 年 muon g-2 collaboration home page より再掲
2007/03/23 52
電子の場合、 10 次では 12672 のファインマン図!
set I set II set III 208 diagrams 600 diagrams 1140 diagrams
set IV set V set VI 2072 diagrams 6354 diagrams 2298 diagrams 電子異常磁気能率には、どの図形も平等に寄与する。 . 全 12672 図形を評価しないといけない。
The leading contribution to muon g-2 is reported by T. Kinoshita and MN hep-ph/0512330, PRD 73, 053007 (2006)
2007/03/23 53
389 self-energy like diagrams
2007/03/23 54
ならば運動量とスピンは常に同一方向 ヘリシティ保存
なのでスピンの歳差運動の方が早く動く
Figures from Herzog’s talk
@Tau06 workshop
Momentum
Spin
e
2007/03/23 55
スピン歳差振動数 ωs
サイクロトロン振動数 ωc
アノーマリー振動数 ωa= ωs –ωc
エネルギー準位間の遷移を測定
B. Odom, Harvard U. Ph.D thesis より
再掲
2007/03/23 56
ハーバード大学ガブリエルス Penning Trap の形状を筒型に変更し、 最大の実験誤差を縮小した。 実現までに 20 年 2006 年 7 月発表
髪の毛の太さ 地球の円周
87 年のワシントン大学の値を約 6 倍改良 3 年以内には、外部磁場の改良等により さらに 3 倍の改良を見込む
2007/03/23 57
微細構造定数 αα の値の比較 G. Gabrielse et al. Phys. Rev. Lett.
(2006)
より再掲
2007/03/23 58
理論理論 電子が軽いため、ほとんど光子のみによる補正 QED による摂動計算 α のベキ展開
展開係数を計算によって求める。 ファインマン図形の基づく計算。 e e
2007/03/23 59
電子の場合、 10 次では 12672 のファインマン図!
set I set II set III 208 diagrams 600 diagrams 1140 diagrams
set IV set V set VI 2072 diagrams 6354 diagrams 2298 diagrams 電子異常磁気能率には、どの図形も平等に寄与する。 全 12672 図形を評価しないといけない。
The leading contribution to muon g-2 is reported by T. Kinoshita and MN hep-ph/0512330, PRD 73, 053007 (2006)
2007/03/23 60電磁捕獲内の電子の振動モード
Z軸に沿った振動
Z軸
スピン歳差運動
電子
サイクロトロン振動
静電ポテンシャル
2007/03/23 61
電子の異常磁気モーメント Harvard(2006)
ae= ミュー粒子の異常磁気モーメント BNL(2004)
am=
現在もっとも精密に測定されている物理量
2007/03/23 62
微細構造定数微細構造定数 ααの決定の決定
電子異常磁気能率電子異常磁気能率 QED が正しいと仮定して 実験値 = 理論式 (αα)
最も精度の良い αα が決められる
ほかの方法で決めた αα よりも一桁以上精度が良い 論文: 実験+ α Phys. Rev. Lett. 2006 年 7 月 記事: Physics Today, SIENCE, Nature, Science News…e.t.c.
2006 年夏から秋 共同通信 2006 年 8 月 , パリティ 2007 年 2 月
2007/03/23 63
Brookhaven National Laboratory 2004 年 muon g-2 collaboration home page より再掲
2007/03/23 64
1、異常磁気能率とは?1、異常磁気能率とは?
2、電子の異常磁気能率2、電子の異常磁気能率 実験 U. Washington ’87, Harvard U. ’06.
理論(量子電気力学 QED ) 微細構造定数 αα -電磁気力の強さを決める
3、ミューオンの異常磁気能率3、ミューオンの異常磁気能率 実験 BNL g-2実験 理論 ハドロン +Weak+QED
物理の基礎理論の検証物理の基礎理論の検証
新物理現象の探索新物理現象の探索
2007/03/23 65
The hadronic vacuum polarization term plays an important role in the theoretical calculation of the muon anomalous magnetic moment.
The dominant part of the hadronic vacuum polarization term can be calculated from the 2 Spectral function measured with e+e - or data.
Recent data indicate that there is a systematic difference between the 2 system in e+e - reaction and -decays, which needs to be understood.
+CVC
e
e
hadron
W
0
Belle data One order of magnitude bigger than preceding experiments.
W
0
2007/03/23 66
2&
2
( ) ( )
( ) ( ) ( )
G S d s s
BWs f s i s
M
M s
M
1( ) ( )
1F s BW BW BW
, : mass and width
, : mass and width
, : mass and width
, : amplitude
, : ampli
M
M
M
tude
fit parameter
2
22
3222
22( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( )
( ) Ms
dhf s k s h s h s k
k ds
MM M M
M
2 ( ) 2 ( )( )
2k s s k s
h s lnms
22
2 2 2 3
2
2
2 ( )3( ) 2 2 ( ) ( )
M k mmd l
M M M
M M k Mn
k m
2
2 2 2 212 1 1( ) 8 ( ) (2 ) (2 )M
dM M Mk
dsM
hh
Gounaris-Sakurai(GS) parameterization
(770), ’(1400), ’’(1700)
Parameterization of resonances
Normalization: BW=1 at s=0 GeV
2007/03/23 67
Feed down BG (BKG②) branching ratio
PDG value(A) Tauola MC(B) Factor(A/B)
0.177 0.129 1.372
9.25 9.46 0.978
1.04 1.26 0.825
KL 0.187 0.187 1
1) Br in TAUOLA is corrected to the recent PDG values by multiplying the correction factor.
2. The systematics is then estimated by changing the Br by 1
2007/03/23 68
Pion Form Factor |Fπ|2
Low mass region mass region
2007/03/23 69
a (2 ) 457.2 0.5(stat.) 1.0(int .sys.) 3.0(ext.sys)
0
0
02
2 2
12
2
2( 1 1
6)
1
eud EW
dN
N ds
mv
B
BV Ss
s s
m m
2
2,
4
(( )
)
had LO
m
K sa ds
sv s
2 2 20.25GeV m m
Hadronic vacuum polarization a
Threshold region(0.25GeV2<M2) is not included
because the experimental uncertainty is large.
1010
ALEPH, CLEO : a (2 ) 464.0 3.0(exp.) 2.3(isospin)
CMD2, KLOE : a (2 ) 448.3 4.1(exp.) 1.6(rad.)
2007/03/23 70
Internal Systematic Error
sourceBackground estimation・ non- ( ee->hadron ) ・ feed-down h≥20・ feed-down K - 0
±0.11
±0.09
±0.15
0/ selection efficiency/shape cuts ±0.35
Energy scale ±0.10
Gamma veto ±0.93
/track overlap 0.24
Tagging Dependence <0.1
Smearing/Migration effect
Total ±1.04
10( : 10 )
unita
2 2m 0.25GeV
2007/03/23 71
External parametersItem Value
1.0233±0.0006 ±0.32
0.9734±0.0008 ±0.42
(17.84±0.06)% ±1.82
(25.42±0.11)% ±2.30
Total ±3.0
10( : 10 )
unita
CKM matrix elementudV :
ee Branching Fraction eB :0
0 Branching Fraction B :
electroweak radiative correctionEWS :
World average is calculated combining our new result and the preceding measurements of other experiments.
- 0τBr(τ π π ν )
0
0 Branching Fraction B :
2007/03/23 72
まとめ Updated results are included in the paper
draft, which is being checked by referees. To be updated
Iso-spin violation correction¤ Consulting to Davier
Update Introduction and discussions.Finalize BR
Belle Note updateWe are planning to include the items presented here
in Belle Note.