t-p-p0nt 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 名古屋大学 学術創生報告会 1 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) t-->p-p0ntの結果 2007/03/23 2 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 3 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、 g-2 次元のない量、単位を持たない量 量子補正効果が起源 2007/03/23 4 なぜ、2で割るか? 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 2007/03/23 サイクロトロ ン振動 5 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 e Momentum Spin 2007/03/23 BNL 2004 6 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: a g - 2 2 a にはいくつかのダイアグラムの寄与がある。 a a QED 電磁相互作用 a ( EW ) a hadron 弱い相互作用 2007/03/23 ハドロンの真空偏極 光子・光子散乱過程 Z a had , LBL ハドロン ハドロン 7 理論 g -2 a 2 QED a had a weak a QED αの8次(4loop)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 2007/03/23 ~60ppmの寄与 この精度をあげることが非常に難しい 8 電子の場合、10次では12672 のファインマン 図! set I 208 diagrams set IV 2072 diagrams set II 600 diagrams set III 1140 diagrams set V 6354 diagrams set VI 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。 2007/03/23 By Nio 9 389 self-energy like diagrams 2007/03/23 by Nio 10 ハドロンの理論 量子色力学 QCD 格子QCD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) 2p mode is dominated 2007/03/23 11 (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 s) ICHEP-2006 (M. Davier et al.) : Exp-Theory is 3.3s!. (K.Hagiwara et al.,hep-ph/0611102, claim even 3.4s) 2007/03/23 A hint to New physics beyond the Standard Model ? 12 実験値と理論値の比較 M. Davier’s talk @ Tau06 3.3 標準偏差 の差異! 超対称性? 余剰次元? New Physics? 2007/03/23 a μ[exp]-a μ[theory]=(27.5 ±8.4)X10-10 13 新物理の寄与 aSUSY = 13x10-10 (100GeV/MSUSY)2xtanb x sign() For MSUSY = M=mC0 By A. Czarnecki and W. Marciano (2001) t-> も似たダイアグラムが寄与 2007/03/23 14 超対称性粒子に対する感度 WMAP, a, b s Ref. Phys.Lett.B568 (2003)55, A.Lahanas and Nanopoulos asusy=(36+-11)x10-10 asusy=14x10-10(-2s) 0.094<Wch2<0.129 Excluded by b s (LSP density; WMAP) Similar work by 2007/03/23 J. Ellis,K. Olive et al.(2003)、H. Baer, X. Tata et al.(2003) 15 Muon anomalous magnetic moment (a) a=(g-2)/2 BNL E821 (2004): aexp = (11 659 208.0 5.8) x10 -10 + - ee t Exp. not yet published not yet published preliminary ICHEP-2006(M.Davier et al.): a(exp)-a(th) is 3.3s (K.Hagiwara et al.,hep-ph/0611102,claim even 3.4s!) A hint to New Physics beyond the SM!? 2007/03/23 How about the t data 16 Relative difference between t and e+e – data: t Average =ALEPH +CLEO No correction for ± – 0 mass (~ 2.3 ± 0.8 MeV) and width (~ 3 MeV) splitting applied Davier, hep-ex/0312064 2007/03/23 Jegerlehner, hep-ph/0312372 17 What should be measured app (0)2 K ( s ) pp ds v ( s) 4 m p p s spectral function 2 :fine structure constant s M pp2 0 x2 1 x2 1 x 2 2 K (s) x 1 - (1 x) 1 2 ln (1 x) - x - x ln x 2 1- x x 2 2 x pp v ( s) 1 - b 1 b , b 1 - 4m2 / s mt 2 6p Vud SEW 2 Bpp 0 s 1 Be mt 2 2 2s 1 mt 2 -1 dNpp 0 1 Npp 0 ds Branching Fraction Mass Spectrum 2007/03/23 18 Experiment apparatus : Belle detector SC solenoid 1.5T CsI(Tl)16X0 p0 mass resolution; sp 0 ~ 5 -8MeV Aerogel Cherenkov cnt. n=1.015~1.030 3.5 GeV e TOF counter Central Drift Chamber Tracking +dE/dx Small cell +He/C2H6 8 GeV eSi vtx. det. 3 lyr. DSSD 2007/03/23 / KL detection 14/15lyr. RPC+Fe Good tracking and particle identification 19 解析の流れ DATA 72.2/fb 従来の20倍のデータ e e - t t - event selection t - p -p 0n t event selection p -p 0 distribution unfolding(correct the detector effect) - 0 unfolded p p distribution Extract pion form factor 2007/03/23 evaluation of the ahad ,2p 20 Event Selection e+e-t+t- 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) charged track Low track and gamma multiplicity. (qq continuum) -p-p0n Selection t p0 t one charged track in the event hemisphere. one p0 in the event hemisphere. No additional with E≥200MeV Tag-side condition Tag-side : 1 prong and no 2007/03/23 21 Belleで観測される代表的なtt 事象 1-3 事象 2007/03/23 1-1事象 22 0 t p p nt 2007/03/23 崩壊の例 23 p0 Signal Signal region Sideband region -6 S 5 right: -9 S -7 left: 7 S 9 Sideband region is used to estimate the non-p0 background S (m - mp 0 ) s mp 0 : p 0 Mass (134.98MeV ) m : invariant mass distribution s : resolution of m 2007/03/23 72.2/ fb data at see 10.58GeV t-p-p0nt 5.55×106 events 24 m2pp distribution tag side 1 charged track + no B.G. estimated by MC - h2p0 0 Kp Tau mass limit non-t B.G. qq 0.25 0.02% feed across B.G. qq h 2p0 n t K - p0 n t (Mπ π ) ± 2007/03/23 0 2 (GeV / c 2 )2 5.87% 1.76% t-p-wnt(wp0) 25 Acceptance Data are Unfolded with the Singular Value Decomposition (SVD) method. (GeV)2 Acceptance(including gen V.S. M pp2 0 obs 2 Mpp0 (generated) tagging efficiency) M pp2 0 2007/03/23 (Mπ π ) ± 0 2 2 2 2 (GeV / c ) (GeV)2 Mpp0(observed) 26 Mass spectrum after Unfolding Number of entries /0.05 (GeV/c2)2 Mass spectra = Phase space × Form Factor 2 2 1 dN pp0 6p Vud SEW e s 2s pp0 1 - 2 1 2 v (s) N pp0 ds m2t pp mt mt v pp 0 2007/03/23 (Mπ ± π0 )2 (GeV / c2 )2 2 b3 (s) (s) Fp (s) 12p 27 Pion Form Factor|Fπ 2 | Log scale Fp 2 Fit with BW Forms. →Next slide ’ ” Interference between and Dip at s=2.5 GeV2 (Mπ π ) ± 2007/03/23 0 2 (GeV / c2 )2 28 Pion Form Factor|Fπ|2(linear scale) From 64M tt- pairs, Belle selects 5.5M t- BBelle (25.15 0.04 0.31)% B ALEPH (25.471 0.097 0.085)% 2007/03/23 p-p0nt events! Error bars include both stat. and sys. errors. 29 Systematic for the dN/ds distribution M2pp 1st bin threshold region ’ region ” region UNF① UNF② 0.0546 0.0069 0.0004 0.0232 0.0871 0.0263 0.0019 0.0022 0.0037 0.1693 BKG① BKG② BKG③ Accept. 0.0113 0.0007 0.0002 0.0008 0.0488 0.0490 0.0050 0.0010 --- 0.0060 0.2520 0.0280 --- --- --- 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 The number indicates a relative systematic errors: ( N – Nref)/ Nref 2007/03/23 30 Systematic in the mass distribution Unfolding procedure Checked by Signal MC (UNF①) Unfolding condition : value±5 (UNF②) Acceptance (Accept.) -p0 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 E by it’s uncertainty estimated from the p0 mass peak position. (±0.2%) 2007/03/23 31 Systematic in the mass distribution Background continuum BG (BKG①) ¤ estimate at the mass region higher than mt ¤ uncertainty is estimated to be 10% Feed down BG (BKG②) ¤ dominated by t-p-2p0nt ¤ systematic is estimated by changing the Br in PDG by 1s non-p0 BG (BKG③) ¤ dominated in the low (Mpp0)2region. ¤ In this region, the size of the non-p0 background in the lower M side is different between data and MC. This differences is estimated as a systematic. 2007/03/23 32 2 |Fp| : 2007/03/23 results 33 Fitting by BW formula Fp (s ) BW 1 1 b G &S (770), ’(1400), ’’(1700) ( BW b BW BW ) M d (s )M (s ) 2 (M - s ) f (s ) - i s (s ) 2 Gounaris-Sakurai(GS) parameterization fit parameter The normalization of the 2 GS form is given by Fp (0) 1 Two kinds of fits applied: Fixed F (0) 1 2 Make Fp (0) a free parameter 2 M , : mass and width M , : mass and width M , : mass and width b , b : amplitude , : amplitude p 2007/03/23 34 Fit result Norm fixed fit parameter Norm Fp (0) 2 1.0 (fixed) all free 1.08±0.02±0.04 M ( MeV ) 774.5±0.2±0.5 775.7±0.3±0.5 ( MeV ) 147.5±0.4±1.7 147.8±0.5±1.7 M ( MeV ) 1438±7±28 1405±15±26 439.4±15.6±60.0 523±27±57 ( MeV ) b b (deg ree) 0.149±0.049±0.146 0.141±0.013±0.159 195.9±4.0±41.0 152.1±9.1±50.0 M ( MeV ) 1720±17±89 1684±41±89 ( MeV ) 176±21±89 314±36±50 (deg ree) c 2 / d .o. f 2007/03/23 0.040±0.006±0.065 0.090±0.014±0.059 13±7±118 -30±13±136 60/52 34/51 35 Comparison with ALEPH,CLEO BELLE & ALEPH Fp BELLE & CLEO 2 Fp (Mπ π ) ± 0 2 (GeV / c 2 ) 2 Ref: Phys. Rep.421 (2005) 191 2 (Mπ π ) ± 0 2 (GeV / c 2 ) 2 Ref: Phys. Rev. D61, 112002(2000) 1 Agree with other exp. data. Our result is more precise especially in high mass region. 2007/03/23 36 これまでの t データとの比較 (ALEPH,CLEO と Belle ) Mpp2 < 0.8 GeV2; consistent each other. 2 2 Mpp > 0.8 GeV ; Belle-CLEO consistent, ALEPH is higher. a2p is dominated in the 2 lower Mpp region. 2007/03/23 37 a (2p) from Belle t data + ,Difference between t and e e exist in rhis mass region. For 0.25GeV 2 m 2pp m 2t Isospin breaking correction is necessary. -w interference effects mp m p (-1.8 ± 2.3)x10-10 in the phase space 0 in the width mp mp 0 Ref.Phys.Lett.B513,361(2001) a (2p) 457.2 1.5SF 2.3BR 2.3SU(2) 10-10 Most precise on structure function (SF) measurement Consistent with previous t data. SF: structure function error, BR: Br error, c.f. SU(2):SU(2) breaking correction error t (ALEPH, CLEO) a (2p) 464.0 2.2SF 2.3BR 2.3SU(2) e e - (CMD2) Ref. Eur.Phys.C27,497(2003) a (2p) 440.8 4.9 1.6 rad 2007/03/23 38 Summary We measure a precise 2p spectrum in t-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 a2p between tdata and e+e- data yet. 2007/03/23 39 Backup 2007/03/23 40 Experiment apparatus : KEKB Collider KEKB Belle detector KEKB Collider L>1.6x1034cm-2s-1 !! 2007/03/23 High Luminosity Asymmetric energy collider 8GeV :e- + 3.5GeV:e+ s = 10.58GeV (U(4S)) e+e-U(4S) Integrated Luminosity: ~ 550 fb-1 41 M distr. F=Data/MC 0.05<(Mpp0)2<0.10 0.10<(Mpp0)2<0.15 0.15<(M 0)2<0.20 pp F=1.375 F=1.33 F=1.565 0.25<(Mpp0)2<0.30 0.30<(M 0)2<0.35 0.55<(Mpp0)2<0.60 pp F=1 F=1.4 F=1.25 2007/03/23 42 Update point New MC set New t MC (including ” for 2pi channel) Increase Continuum B.G. MC Require the strong cut for tag side 1charged track + no Subtract remaining Background t-p-wnt(wp0) Br=0.51% t-p-hnt (h) Br=0.27% t-p-p0KLnt Br=0.72% ¤ dominated in the low mass region ¤ repeat acceptance correction/fitting Systematic estimation Update non-pi0 background 2007/03/23 1 dN N ds 43 Mass spectrum results 2007/03/23 1 dN N ds 44 Ratio of data/fit 2007/03/23 45 Systematic of resonance parameters Source of systematics M M’ ’ b b (MeV) (MeV) (MeV)(MeV) M’’ ’’ (deg.) (MeV) (MeV) (deg.) 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 41 89 89 0.06 5 118 28 60 0.14 6 “Fit bias” is checked by fitting the signal MC sample, where resonance parameter is known. 2007/03/23 46 2、電子の異常磁気能率 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 47 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 電磁捕獲内の電子の振動モード 2007/03/23 48 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 49 微細構造定数αの値の比較 G. Gabrielse et al. Phys. Rev. Lett. (2006) より再掲 2007/03/23 50 Brookhaven National Laboratory 2004年 muon g-2 collaboration home pageより再掲 2007/03/23 51 電子の場合、10次では12672 のファインマン 図! set I 208 diagrams set IV 2072 diagrams set II 600 diagrams set III 1140 diagrams set V 6354 diagrams set VI 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。 2007/03/23 52 389 self-energy like diagrams 2007/03/23 53 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 e Momentum Spin 2007/03/23 54 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 2007/03/23 55 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 56 微細構造定数αの値の比較 G. Gabrielse et al. Phys. Rev. Lett. (2006) より再掲 2007/03/23 57 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。 2007/03/23 e e 58 電子の場合、10次では12672 のファインマン 図! set I 208 diagrams set IV 2072 diagrams set II 600 diagrams set III 1140 diagrams set V 6354 diagrams set VI 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。 2007/03/23 59 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 電磁捕獲内の電子の振動モード 2007/03/23 60 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 61 微細構造定数αの決定 電子異常磁気能率 QEDが正しいと仮定して 実験値 = 理論式(α) 最も精度の良いαが決められる ほかの方法で決めたαよりも一桁以上精度が良 い 2007/03/23 62 Brookhaven National Laboratory 2004年 muon g-2 collaboration home pageより再掲 2007/03/23 63 1、異常磁気能率とは? 2、電子の異常磁気能率 実験 物理の基礎理論の検証 U. Washington ’87, Harvard U. ’06. 理論(量子電気力学 QED) 微細構造定数 α-電磁気力の強さを決める 3、ミューオンの異常磁気能率 実験 理論 2007/03/23 BNL g-2実験 ハドロン+Weak+QED 新物理現象の探索 64 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 2p Spectral function measured with e+e- or t data. Recent data indicate that there is a systematic difference between the 2p system in e+e- reaction and t-decays, which needs to be understood. e p e- nt p- t hadron +CVC W p - Belle data One order of magnitude bigger than preceding 2007/03/23 experiments. p0 65 Parameterization of resonances Fp (s ) BW 1 1 b G &S (770), ’(1400), ’’(1700) ( BW b BW BW ) M d (s )M (s ) 2 (M - s ) f (s ) - i s (s ) 2 Gounaris-Sakurai(GS) parameterization M 2 2 2 2 2 2 dh f (s ) 3 k ( s ) h ( s ) h ( M ) ( M s ) k ( M ) ( ) k ( M 2 ) ds s M 2 M 2k ( M 2 ) M mp2 M mp2 d ln p k 2 ( M 2 ) 2mp 2p ( M 2 ) p k 3 ( M 2 ) Normalization: BW=1 at s=0 GeV 3 h (s ) 2 k (s ) p s ln s 2k (s ) 2mp -1 dh h( M 2 ) ( 8k 2 ( M 2 )) - (2M 2 )-1 (2p M 2 )-1 ds M 2 2007/03/23 fit parameter M , : mass and width M , : mass and width M , : mass and width b , b : amplitude , : amplitude 66 Feed down BG (BKG②) branching ratio 1) Br in TAUOLA is corrected to the recent PDG values by multiplying the correction factor. PDG value(A) Tauola MC(B) Factor(A/B) twpn p0p tp 2p0n 0.177 0.129 1.372 9.25 9.46 0.978 tp 3p0n 1.04 1.26 0.825 tKLpp0n 0.187 0.187 1 2. The systematics is then estimated by changing the Br by 1 s. 2007/03/23 67 Pion Form Factor |Fπ Low mass region 2007/03/23 2 | mass region 68 Hadronic vacuum polarization a ahad , LO 2 p 0.25GeV 2 m2pp m2t K ( s) pp 4mp2 ds s v (s) vpp ( s) mt 2 6p Vud S EW 2 Bpp 0 s 1 Be mt 2 -1 2s 1 dNpp 0 1 m Npp 0 ds 2 t 2 a (2p) 457.2 0.5(stat.) 1.0(int .sys.) 3.0(ext.sys) 10-10 ALEPH, CLEO : a (2p) 464.0 3.0(exp.) 2.3(isospin) CMD2, KLOE : a (2p) 448.3 4.1(exp.) 1.6(rad.) Threshold region(0.25GeV2<Mpp2) is not included because the experimental uncertainty is large. 2007/03/23 69 Internal Systematic Error source m 2pp 0.25GeV 2 app (unit : 10 -10 ) Background estimation ・non- t(ee->hadron) ・feed-down h≥2p0n ・feed-down K-p0n ±0.11 ±0.09 ±0.15 p0/ 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 2007/03/23 Total ±1.04 70 External parameters Item Value S EW: electroweak radiative correction 1.0233±0.0006 Vud : CKM matrix element app (unit : 10 ±0.42 Be :t - e-n ent Branching Fraction (17.84±0.06)% ±1.82 Total ) ±0.32 0.9734±0.0008 Bpp 0 : t - p -p 0nt Branching Fraction (25.42±0.11)% -10 ±2.30 ±3.0 Bpp 0 : t - p -p 0nt Branching Fraction World average is calculated combining our new result and the preceding measurements of other experiments. 2007/03/23 Br(τ π - π 0 ν τ ) 71 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 update We are planning to include the items presented here in Belle Note. 2007/03/23 72
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