荷電パイ中間子崩壊を用いた 重いニュートリノの探索

岡山大学 伊藤慎太郎

2

目次• π+の物理とPIENU実験 • Massive neutrinoについて • 測定方法 • Massive neutrino探索

- π+→e+νe - π+→µ+νµ

• まとめと今後

π の崩壊• π の崩壊分岐比の比Rπは標準理論(V-A理論)では

- 標準理論ではg = g : 電子・ミューオン普遍性 - 電子とミューオンの質量比の2乗で抑制 : ヘリシティ抑制

• Radiative correctionを加えると、

➡ 高精度で計算されている (精度0.02%)。 ➡ 新物理が存在すると、普遍性が破れ、 Rπが標準理論からずれる。

+W

u

d

+π

+l

lν

V. Cirigliano and I. Rosell, JHEP 0710, 005 (2007)

+

+

3

e µ

4

PIENU実験• PIENU実験がカナダのTRIUMFで行われた。

- Rπの精密測定: 普遍性の検証。目標は<0.1%の精度。 Rπ=[1.2344±0.0023(統計)±0.0019(系統)]x10-4 (実験) Rπ=(1.2352±0.0002)x10-4 (標準理論) ✓ 約10%の統計量で、世界最高精度(0.24%)を達成。 ✓ (残念ながら?)標準理論に誤差の範囲で無矛盾。

✓ 現在、残りのデータを解析中(もう少し時間がかかりそう)。 ✓ 詳しくは去年のスライドを。

- 重いニュートリノ(Massive neutrino)の探索 ➡ 今日はこの話をします。

A. Aguilar-Arevalo et al, Phys. Rev. Lett. 115 071801, (2015)

exp

SM

5

Massive Neutrino探索• もし、massive neutrino(ステライルニュートリノ等)が存在すれば 1.Rπが標準理論からずれる。 - Rπの測定から求める。 -より高い感度で直接massive neutrinoを探索するには、、、

2.Extra peakが見えるはず。 なぜなら、π+→e+νe, π+→µ+νµ は二体崩壊だから。 (ニュートリノの質量が0だとすると) - π+→e+νe Te=69.3 MeV - π+→µ+νµ Tµ=4.12 MeV - massive neutrinoがあると、Te,µが小さくなる。

➡ 陽電子、ミューオンのエネルギーを 精密に測定すれば見える(かも)!!

➡ PIENUのパイオンデータを 使って解析!! 69.3 MeV

• ステライルニュートリノとは、、、 - 質量が0ではない、重力とのみ相互作用する未発見粒子。 - ニュートリノの質量の起源、バリオン数の非対称の謎 をとく鍵になりうる。

- Dark matterの候補とも。 • 3世代のニュートリノに新たな世代を加える。

• ニュートリノは混合していると考えるので、k世代足すと

• 通常のπ+→e+νeとπ+→e+νiの分岐比は、Uliを用いて、

• 例: νMSM (k=3)6T.Asaka et al, JHEP 1104 11 (2011)

π+→e+νe とステライルニュートリノ

(新たにk世代加えた場合)

陽電子(もしくはミューオン)、パイオン、 ニュートリノの質量で表すことができる

測定方法

Calorimeter

π+

μ+

e+ e+

Ee:0.5~52.8 MeV Ee:69.8 MeV

Target

崩壊した陽電子のエネルギー (MC)

π+→µ+→e+ π+→e+νe

7

• π+ビームをターゲットに止めて 崩壊させる。

• Tµ=4.12 MeVなので、ミューオン もターゲット内に止まる(~1mm)。

• 放出された陽電子をカロリメータ で測定する。 - π+→e+νeはTe=69.3 MeV - µ+→e+νeνµはTe=0~52.3 MeV (π+→µ+→e+ chain)

ターゲットとカロリメータの エネルギー情報より、extra peak を探索する。

Te=69.3 MeVTe=0~52.3 MeV

Tµ=4.12 MeV

PIENU検出器

NaI(Tl)

CsI Rings

10 cmV3

V3

V2

V2WC3 T2

WC1/2V1

V1

NaI enclosure

π+ BeamT1B3

B1

B2S2S1 S3

π+

µ+

e+:69.8 MeV

e+:0.5~52.8 MeV

Z

X

WC:ワイヤーチェンバー S:シリコンストリップ B1,B2,Tg,T1,T2: プラスチックシンチレータ 2009~2012年にデータ収集。

48 cm

48 cm

A. A. Aguilar-Arevalo et al, Nucl. Instrum. Meth. A 791, 38, (2015)8

巨大NaI(Tl)で 陽電子を測定。

電磁シャワー漏れを 減らすため、環状の CsIでNaIを囲む。

ターゲット(B3)は 500 MHz FADC で波形を記録

9

π+→e+νχの探索• 支配的なπ+→µ+→e+をカットする(e.g. ターゲット)。 • カット後のスペクトルをフィットする。 [π+→e+νeテール]+[除ききれなかったπ+→µ+→e+]+[Extra peak]

• 60 MeV/c2 < mν < 130 MeV/c2の領域を探索。 • 残念ながら、優位なピークは見えていない。。。

➡ フィット結果をもとに、上限値を求める(90% C.L.).

[MeV]NaI+CsIE0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100

Cou

nts

1

10

210

310

410

510

Time 0.9916Energy loss 0.2947

Kink 0.1542

S3 0.1457

Pulse fit 0.1441

ターゲット中のエネルギー

π+→µ+→e+

π+→e+νe

カット後の陽電子のエネルギースペクトラム

90% C.L.(Confidence Level)について

10

• 例えばフィットの結果、事象数が-0.50±1.00だったら、 中心値が-0.50、sigmaが1.00の正規分布F(x)を考える

• 事象数なので、負の数はあり得ない。>0の領域を使用する。

• この式が90%になるaが 90% C.L. (上限値)になる。 ➡ Bayesian method。

-5 -4 -3 -2 -1 0 1 2 3 4 50

0.2

0.4

0.6

0.8

1 90% 10%

a0

F(x)

11

)2Neutrino mass (MeV/c50 60 70 80 90 100 110 120 130

2 |ei

|U

-810

-710

過去のTRIUMF実験 PIENU

M. Aoki et al, Phys.Rev.D 84 052002 (2011)

Massive Neutrinoへの感度

S. Ito et al, Hyperfine Interact (2017) 238: 1

通常のπ+→e+νeに対して、どのくらい π+→e+νiがあるか(混ざっているか)

12

)2Neutrino mass (MeV/c50 60 70 80 90 100 110 120 130

2 |ei

|U

-810

-710PIENU

期待される最終結果

Massive Neutrinoへの感度

現在、系統誤差の最終確認中。 間も無くpublish予定。

過去のTRIUMF実験

13

• ターゲット中のπ+→µ+→e+の波形は500 MHz Flash-ADCで 記録されている。⇨ µ+の波形を見ることで、探索する。

• π+、e+の波形がµ+の波形に影響しない時間領域を設定。 • Tµ=4.12 MeVよりも低い波形があれば、それは massive neutrinoによるもの(のはず)!!

π+→µ+νχの探索

π+ µ+e+

π+

µ+

e+

+80 ns0 ns +150 ns >200 ns

EnergyMuonQ5Entries 987447Mean 4.101RMS 0.1599

[MeV]µT1 1.5 2 2.5 3 3.5 4 4.5

Cou

nts

1

10

210

310

410

510

EnergyMuonQ5Entries 987447Mean 4.101RMS 0.1599

14

Very Preliminary Result• 今回は全統計量の約10%の統計を用いた。

➡ まずはカットなどの解析手法の確立する。 • 0 MeV/c2 < mν < 30 MeV/c2の探索が可能。 • 過去の実験(R. Abela et al. at SIN, Phys. Lett. 105B. 236, 1981)と比べ、バックグラウンドを減らすことに成功。

• π+→e+νχ同様にフィットを行い、Uµiの上限値を求める。 ➡大幅な改善が期待される。

Preliminary過去の実験

15

まとめと今後• Rπを高精度で測定することを目指したPIENU実験がカナダの TRIUMFで行われた。

• π+のデータはステライルニュートリノなどの重いニュートリノ に感度がある。

• π+→e+νχとπ+→µ+νχの両方を探索。 - π+→e+νχは間も無くpublish。 - π+→µ+νχも順調に進んでいる。(今年度中にpublish?)

• Rπはもう少し。<0.1%の精度へ。

Back Up

16

A Previous Experiment at TRIUMF• Previous experiment at TRIUMF in 1980’s

R=[1.2265±0.0034(stat)±0.0044(syst)]×10-4 • Week points

- Small acceptance (~2%) ✓ Many beam positron contamination. ✓ Low statistics. ✓ Larger acceptance correction (later).

- Larger error on low-energy tail. ✓ Unsuppressed πDIF events. ✓ Low statistics.

- Bad time fit ✓ BG were not precisely estimated well.

17

πDIF:~20% ➡The PIENU experiment was designed with taking into account these weak points.

Suppression of π+→µ+→e+• π+→µ+→e+ events could be suppressed

using target and trackers. - µ+ had a kinetic energy of 4.1 MeV. - πDIF events had larger angle than

πDAR in the target. ➡ There was no tracker

in the previous experiment.

18[MeV]totE14 15 16 17 18 19 20 21 22 23

Cou

nts

410

510

610

ei+eA+/

+eA+µA+/

]oAngle[0 10 20 30 40 50

Nor

mal

ized

Cou

nts

0

0.01

0.02

0.03

0.04

0.05 >52 MeV)e(Eei+eA+/

52 MeV))e(E+eA+µA+/

Energy in S3_X[MeV]0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 1.2 1.4 1.6

Ener

gy in

S3_

Y[M

eV]

0

0.2

0.4

0.6

0.8

1

1.2

1.4

1.6

1

10

210

310

2r6-20 -10 0 10 20 30

[MeV

]to

tE

14

15

16

17

18

19

20

21

22

23

1

10

210

310

410

510

π+→e+νe

π+→µ+→e+

WC1 WC2

µ+π+

e+

B1

B2S1 S2 B3

πDAR

πDIF

[MeV]NaI+CsIE0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100

Cou

nts

1

10

210

310

410

510

Time 0.9916Energy loss 0.2947

Kink 0.1542

S3 0.1457

Pulse fit 0.1441

19

• バックグラウンドB: π→µ→e + BG (主にµ-BG) ➡ 波形を見ることで除ける。

• バックグラウンドC: π→µνγ ➡ 除けない

π+→µ+νχの探索

π+

µ+

e+

π+µ 1つの波形に見える

バックグラウンド

Upper Limits on π+→µ+νχ

20

測定原理

ei+eA+/

:~26 ns/o:69.8 MeVeE

+eA+µA+/:~4.1 MeVµT

sµ:~2.2 µo

:0.5~52.8 MeVeE

+/

+µ

Target

+e+eCalorimeter

π+→µ+→e+ NPIMU/(τµ-τπ)×(e-t/τ -e-t/τ ) π+→e+νe (NPIE/τπ)e-t/τ

Rπ=NPIE/NPIMU×(1+ε)π+→e+νe 低エネルギーテール

π+→µ+→e+ π+→e+νe

補正前の比 Rπraw 補正テール補正等

21

πµ

Measured Branching Fractions

22

The Pion Decay in the SM• Pion was discovered by π+→µ+νµ decay.

• Why don’t we see π+→e+νe decay? ➡ Weak interaction: V-A theory - Selects left-handed massless particle or right-handed massless anti-particle : neutrino is (assumed to be) massless particle.

- If positron is massless, positron should be right-handed. ➡Actually not massless particle, so π+→e+νe decay is allowed.

- But muon has ~200 times larger mass than positron ➡π+→e+νe is disfavored: helicity suppression.

23

→e+νeνµ

+/

ei +e

Angular momentum (ΔL=0)

Spin=0 e+, µ+ νe, νµ

V-A theory

24

)-410× (expπR

1.14 1.16 1.18 1.2 1.22 1.24 1.26 1.28 1.3

Year

1960

1970

1980

1990

2000

2010

2020Expected by the PIENU Experiment

CzapekBritton

Bryman

DiCapuaAnderson

π → e ν崩壊分岐比の測定の歴史

Experiment:SM prediction:

理論値に比べて、実験の精度が悪い。 PIENU実験(TRIUMF):0.1%よりも高い精度でR を測定

Theoretical region

Average

+ +e

π

R の精密測定のモチベーション• 新物理が存在すると、 電子・ミューオン普遍性が破れる。

• π による測定は他の実験と比べると精度が高い。 ➡ π は最も軽い中間子。

- きれいなパイオンビーム。 - 崩壊過程も少ない。

➡ 過去の実験は20年以上前: PIENU実験で<0.1%を目指す!!

⇨系統誤差が抑えられる。

π

25

1.0021±0.0016

普遍性検証実験の結果

+

+

R の精密測定のモチベーション• 特に、擬スカラー作用に感度がある。 • 一般には、1/Λ だが、V-A currentと 擬スカラー作用が干渉して

➡ 0.1%の精度で1000 TeVの擬スカラーのエネルギースケール • 擬スカラーの例

- R-Parity violation SUSY - Leptoquark. - Charged Higgs.

• その他: Massive neutrino

π

26

C.Campbell and D. Maybury, Nucl.Phys.B 709, 419 (2005) D. Bryman et al., Ann. Rev.

Nucl. Part. Sci. 61 331 (2011)

M. J. Ramsey-Musolf et al., Phys. Rev. D76, 095017, (2007)

D. Bryman et al., Ann. Rev. Nucl. Part. Sci. 61 331 (2011)

O. Shanker, Nucl. Phys. B, 204(3), 375-386 (1982)

4+W

u

d

+π

+l

lν

1/Λ2

The TRIUMF Beam Line for the PIENU

• TRIUMF M13 beam line. • To increase the detector acceptance, the beam line was updated.

- Added one more bending magnet→<1/10 of beam positron. - The detector was located at the exit→×10 larger acceptance.

27

Detector

Nucl. Instrum. Methods., A 609 102 (2009)

✓Beam rate:70 kHz ✓Beam momentum: 75±1 MeV/c ✓π : µ : e = 84 : 14 : 2

500 MeV proton.

Beryllium production target

28

NaI 1 CsI crystal

Scint + Si Strip WC3

Detector

π+

The PIENU Detector

29

π+ beam

Move the detector assembly during beam time. A. Sher (TRIUMF)

Event Selection Cuts• Beam tracking in WC1 and WC2 • Energy in B1 and B2 • Single hit requirement in

B1, B2, T1, and T2. • Radius cut at WC3, decay positron was

reconstructed by S3 and WC3.

30

Energy in B1[MeV]1 2 3 4 5 6

Cou

nts

0

10

20

30

40

50

610×

+e

+µ +π

Energy in B2[MeV]0.5 1 1.5 2 2.5 3 3.5

Cou

nts

0

10

20

30

40

50

60

70610×

+e+µ

+π

WC1_X[mm]-30 -20 -10 0 10 20 30

WC1_Y[mm]

-20

-10

0

10

20

30

310

410

510

610

710

810

WC2_X[mm]-30 -20 -10 0 10 20 30

WC2_Y[mm]

-20

-10

0

10

20

30

210

310

410

510

610

710

Radius at WC3R[mm]0 20 40 60 80 100

Cou

nts

0

1000

2000

3000

4000

5000

6000

7000310×

Pion tracking at WC1 Energy in B1 Reconstructed radius for e+ at WC3

NaI(Tl)

CsI Rings

10 cmV3

V3

V2

V2WC3 T2

WC1/2V1

V1

NaI enclosure

π+ BeamT1B3

B1

B2S2S1 S3

π+

µ+

e+:69.8 MeV

e+:0.5~52.8 MeV

時間スペクトラム解析

• データセット: 2010年11月 • 約4×105 π+→e+νeイベント • 両時間スペクトラムを同時にフィット

π+→e+νeπ+→µ+→e+

R =(1.1972±0.0022±0.0005)×10-4 raw

π

52 MeV

31

(統計誤差) (系統誤差)

低エネルギーテール

➡テール補正等を加える。

テール補正• 低エネルギーπ+→e+νeテールの補正:最も支配的 • Photo-nuclear effectによりMCでテールがうまく再現できない。

➡ 実験データを用いた評価が必要。 - 実際のパイオンデータを使用。π+→µ+→e+を抑制。 - 単色の陽電子ビームを用いた特別データ。実験的にテールを得る。

テール量:N<52 MeV/Nall=(3.07±0.12)%

[MeV]NaI+CsIE0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100

Cou

nts

1

10

210

310

410

510

Time 0.9916Energy loss 0.2947

Kink 0.1542

S3 0.1457

Pulse fit 0.1441

Low energy tail

Photo nuclear effect NIMA,621,188-191 (2010)

32

Photo-Nuclear Effect• Using 70 MeV positron beam to

understand low energy tail empirically. • There are additional bumps below peak.

➡ Photo-nuclear effect. - γ was absorbed by iodine. - Neutrons were emitted. - Binding energy ~8 MeV. - This process was confirmed by MC. ➡ First observation.

• However, not completely reproduced. • Photo-nuclear effect was also present

when measuring π+→e+νe. ➡Need empirical estimation.

33

e+WC1

WC2 WC3

V2

V3

CsI Rings

NaI (Tl)Calorimet

er axisBeam axis

CsI Rings

T2

θ

Deposited Energy (MeV)40 45 50 55 60 65 70

Cou

nts

−510

−410

−310

−210

−110

Deposited Energy (MeV)40 45 50 55 60 65 70

Cou

nts

−510

−410

−310

−210

−110 Data

MC(EM)

MC

議論 -電子・ミューオン普遍性-

34e/gµg

0.9860.988 0.99 0.9920.9940.9960.998 1 1.0021.0041.0061.008-1

0

1

2

3

4

5

6

7

PIENU(2010)

PIENU(Preliminary)

PIENU’s goal

τ→e/τ→µ

K→e/K→µK→πe/K→πµ

W→e/W→µ

世界最高精度!!!