ppt - 京都大学高エネルギー物理学研究室

An Improved Limit on Invisible
Decays of Positronium
コロキウム 21.Nov 2006
高エネルギー研 M1 五味慎一
1
Abstract
• 今回報告する実験結果では、オルソ=ポジトロニ
ウムのinvisibleな崩壊過程について、そのBrの
上限値をさらに下げることに成功した。
• また、パラ=ポジトロニウム・e+,e-の直接的な対
消滅についてのinvisibleな崩壊モードについて
も、そのBrの上限値を得ることができた。
• この結果から、標準模型を超える『新しい物理』
の可能性について考察する。
2
Contents
1. Introduction
2. Experimental technique and setup
3. Background estimation and dedicated
engineering run
4. Data analysis
5. Results
6. Interpretation
7. Conclusion
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1. Introduction
4
『 new physics 』
• 『 new physics 』の探求は、主に高エネル
ギーの分野で研究がなされている。
その一方で・・・
低エネルギー領域での、精密測定におい
て『 new physics 』の可能性を探る現象が
確認されている。
Invisible Decays of Positronium
5
Invisible Decays of Positronium
• ここで言う、『 invisible decay 』とは、『photonが
検出されない崩壊モード』を意味している。
• 標準模型(SM)では、Psは、ニュートリノ=反ニュートリノ
対へと崩壊する、invisibleな崩壊モードが存在する。
Br(o - Ps  invisible)  6.6 10
-18
• もし、このSMの予想よりも高い分岐比が実験によって
観測されたならば、それは新しい物理を裏付ける確たる
6
証拠になる！
extra dimension
• この世界には、3+1次元に加え、n(≧2)次元の余
剰次元が存在する。
• 質量を持つ粒子は、この余剰次元へトンネル効
果を通じて逃げることが可能。
ゲージ階級問題の解決
 k ~ 数TeV
LEPでの実験結果
 2.7TeV < k
10
10
 Br (o - Ps  invisible )  10
7
8
milli-charged particle
• 1986年・Holdomは、もし観測され得ない第二のフォトン(the
shadow photon)が存在すると仮定した場合、より自然に『grand
unified model』が構築できることを指摘した。この考えには、電子
よりもさらに少ない電荷量を持った粒子(milli-charged particle)も
含まれている。
• もし、このmilli-charged particleが存在していると仮定すると、oPsはSMには無い崩壊モードを持つことになる。これはmillicharged particleはカロリメータと反応し難いためにinvisibleな崩
壊になる。
 m 
3
x



Br(o - Ps  XX) 
1

2

4 (  9)   me 

 370 2
2
2 1/ 2



 1  m 2 
1   x  
 2  me  
for mx  me
8
New light vector boson
• 以下の相互作用Lagrangianを持つ軽いベクトルボソン:Xが存在
すると仮定すると、invisible decayの新しい可能性を導く。
LX  g X  X 
o-Ps  X*  X1X1 なる崩壊過程を考えた場合、そのBrは以
下のように表される。
Br(o - Ps  X*  X1X1 )
 mX
3
 1


k

F
 me 2
4( 2  9)

2
 k  2 10 3  XX1
2
 m X   X  XX
1
1 

3
 mo2-Ps 



2
9
mirror world
1956年・Lee, Yangに
よってparityの破れが発
見される
真空のsymmetryは崩れてい
るのだろうか?
Mirror World
– 粒子とmirror粒子とは同じ物理法則に従い、た
だ左・右だけが異なる。
– 粒子とmirror粒子とは、以下の二つの方法で繋
がっている。
1. 重力相互作用
2. mixing between mirror partners
– mirror粒子は、ダークマターの候補である。
10
mirror worldへの崩壊
photon=mirror-photon kinetic mixing
e+
Lint  F F '
e-
o-Ps
γ
γ’

e-’
e+’
o-Ps’
• o-Psは、γとγ’とを通じて、自らのmirror partnerであるoPs’との間で振動を行っている。
 mirror worldへの崩壊を検知することはできない
・・・ invisible decay
2(2 f ) 2
Br(o - Ps  invisible)  2
  4(2 f ) 2
11
2. Experimental technique
and setup
12
How to trigger the positronium?
• Invisibleなので、self triggerは使うことはできない。oPsの生成でタグ付けをしたいところではあるが、困難。
 『 sourceからe+が放出され、ターゲット内で静
止したのにも関わらず、Ps起源のγ線が検出さ
れない』現象を探す。
trigger
invisible
source
4π ECAL
Image
e+
Scintillatar
Ps  decay
13
到達すべき精度について
Br(o - Ps  invisible)  10
-8
この到達すべき値まで精度を高めるために・・・
(a).
e+,e-の対消滅によるフォトンを感知しそこなう確率・・・<10-9
(b).
ターゲットを囲む有感領域について、不感領域を最大限小さくする
(c).
ターゲットの適切な選択
(d).
トリガーレート・DAQ速度を最大にする
(e).
トリガー(ポジトロニウムのタグ付け)の精度の向上・バックグラウンドの除去
(f).
22Naからの1.27MeVフォトンと荷電粒子との区別( @ trigger counter )。
14
e+ source : 22Na
• e+のソースとして、22Naを用いる。
今回の実験では大抵の場合、
o-Ps
(p-Ps)崩壊では、3(2)+1
個のフォトンが放出される。
半減期
: 2.6年
30kBq  放射能の強さ＝トリガーレートと、イベントが重なることによる
エネルギーの合計は、2×511keV
inefficiencyとの割合から決定される。
EC過程におい
て、軌道電子
が弾き出され
ることがある
shake-off electron
15
22Naのセットアップ
ファイバー両端からの読み出し  Philips XP2020
• 精度を高めるために不感領域を最大限減らさなければな
（特にノイズの小さいものを選択した。）
らない。ソースホルダーも有感領域にする工夫をする。
二つのコインシデンス  e+通過のタグ付け
シンチレーターで造られたファイバー
( φ500μm ) の一部を圧し
両側からのコインシデンスをとることで、バックグラウンドを減少させること
潰して、平らな領域( 100μm×2mm×8mm
)を造る。そこに
ができる。( <1.9×10^-9
)
22Naを蒸着したものを、ソース( ファイバーはトリガー読み出し )と
して用いる。
Side view
これによって、ソースホルダーに不感領域を無くすことができる。 16
シンチレーターの配置
• ECALはBGO結晶×100個で形成される。
– 断面は6角形で横幅は61mm・長さは200mm
– 各結晶は750μm厚のテフロンフォイルで覆われている。
– 最中央部(緑)は特に、アルミで覆われた2μm厚のMylarフォイル
で覆われている(特に感度を上げる)。
– FBGO・及び胴部の結晶からのシグナルは、ETL9954によって
読み出される。
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タグ付けしよう
• ファイバーでの、各XP2020によるe+の通過で得られる
ファイバー×2 + FBGO によって･･･
光電子数は、平均約1.2程。
1.2
非常に小さい
13±1 p.e
この値に対してカットをかけようと
するのは得策とはいえない。
• FBGOでもファイバーでのe+の
エネルギー損失を見る。
– ファイバーで生じた光は無色透明
なエアロゲルを通過し、前面にあ
けた開口部からFBGOへ入り、そ
の後方のPMTで検出される。 18
TBGO
• 1.27MeVのフォトン(=the triggering photon )の同定
のために、より高いエネルギー分解能が求められる。
– ETL9964  光の収集能力・QEが高い
– BGO結晶も一番良い物を選ぶ
 不感領域を減らし、収集能力を高めるために、3M radiant mirror
( 64μm厚 )で覆う。
『 the triggering photon 』には、
( 1275±67 ) keVのものを選ぶ。
ｔriggerには、ファイバーを通過するe+
( XP2020×2,FBGO)と、1.27MeVフォト
ン( TBGO)との2つを用いる。
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Ps生成のターゲット
Scintillating
Fiber
source
Aerogel
4x8x8mm^3
• ターゲットとして、4×8×8mm^3の
SiO2エアロゲル小欠片(松下電工株式
会社製 type SP30 : 屈折率;1.03 密
度;0.11)を用いた。
• エアロゲル小欠片は圧し潰した部分に
密着させる。
• e+はエアロゲル内で停止 → Ps形成。
• Psは、エアロゲル内の空孔へ移動。
( Psと通常の原子との間には電気的な斥力が
働くため、物質中では原子間の間隙に存在し、
空孔的欠陥があるとその中に捕捉される。 )
20
実験の安定性について
• BGO結晶は温度に敏感なので、暗箱内の温度を管理す
る必要がある。(±0.5℃)
– ２つのサーモメータで温度管理された水が銅パイプ内を循環す
ることで温度を保つ。
– 実験室の温度は±1℃以下でコントロール
– HV等、熱源になりそうなものは近くに置かない
• BGOはLEDを備えていて、定期的にLED光源で状態を
モニターできるようになっている。
• PMTは、511keV・1.27MeVの2種類のフォトンでキャリブ
レーションされている。
• 1runあたりでのエネルギースケールの変化は、1%以下
で良くキャリブレーションされている。
21
3. Background estimation and
dedicated engineering run
22
Background estimation
• 求められる精度～10-8に達するために、バッ
クグラウンドは良く制御されなければならない。
• バックグラウンドの起源を理解し、またMCシ
ミュレーションと比較するために行った、試験
的なrunでの結果を、シミュレーションとの比
較を含めて述べる。
23
1) Hermiticity Dead Material Resolution
• ECAL(～200mm厚)において、2個(3個)の511keVの
フォトンが検知されない確率・・・＜10^-9
γ
Miss!
γ
Miss!
・・・Invisible?
24
2) Absorption in trigger Energy Window
• もし、1個以上の511keVフォトンが1.27MeVフォトンに重なって
TBGOのエネルギー分解能によって決定される。
TBGOに入っても、(1275±76)keVに入ることができる。
トリガー範囲の上限値と、(the triggering photon+511keV photon)の分離は、
 この時、残ったフォトンが検知されなかった場合、
1786keVにできるGAUSSIANピークについて、7σ
invisibleのように見えてしまう。
このバックグラウンドは、＜ 5×10^-9
γ
Miss!
γ(511keV)
trigger
・・・Invisible?
25
3) MS positron with Emax=546keV
• 1.27MeVフォトンが感知されず、一方でe+がファ
イバーで多重散乱し、ちょうどエネルギーがtrigger
と一致したことによるバックグラウンド。
γ(1.27MeV)  Miss!
(200~300) + 511×2
e+ (200~300keV)
e+ (546keV)
1.27MeV
対消滅
＜ 10^-8
・・・Invisible?
26
4) MS positron with Emax=1.83MeV
• 3)と同様のプロセスで、1.83MeV e+起源のもの。
e+ (1.83MeV)
(200~300) + 511×2
e+ (200~300keV)
1.27MeV
対消滅
＜ 10^-8
・・・Invisible?
27
5) Compton EC photon
• 1.27MeVフォトンがファイバーで相互作用することでe+のように見
え、さらに散乱されたフォトンとCompton electronとのエネルギー
の合計が、トリガーとして認識された場合。
・・・Invisible?
γ(1.27MeV)
e-
＜ 10^-8
1.27MeV
この3),4),5)の場合では、荷電粒子(赤矢印)がTBGO前面
に置かれたプラスチックシンチレーターを横切っているので、
28
これによってvetoすることができる。
6) Accidental noise and EC photon
• 2つのXP2020でのノイズによるcoincidence によってtriggerがか
かるバックグラウンド。(with 1.27MeV)
 ノイズの少ないPMT・XP2020を２つ用いることで最小
化・・・＜ 1.9×10^-10
7) Shake-off electrons in EC process
• Shake-off electronによりファイバー側のtriggerがかかることによ
るバックグラウンド。(with 1.27MeV)
 EC過程において、e-の放出確率は運動エネルギー
が大きくなるにつれ急速に減少する。このため、ファイ
バー側でカットを用いることで、十分落とすことが可能。
29
・・・＜ 10^-8
Total Background
• Total
Background
について、
10^-8の
sensibilityを
達成。
30
4. Data Analysis
31
1. エレクトロニクスの安定性
• 以下の7つの値を定義し、それについて分布を見る。
1)ΔTshort トリガースタートから2つのshort gateを作るタイマー
ユニットのエンドマーカーまでの時間
2)Tlong
long gateで積分されたQDCチャンネルのpedestal
エレクトロニクスの安定性・ゲート幅の継続
時間のチェック
32
2. Accidental trigger の抑制
3)ΔTXP
4)ΔTTBGO
2つのXPのファイバー読み出しの時間差
2つのXPのコインシデンスとTBGOとの時間差
偽のe+がファイバーへ侵入したことによる、
accidental trigger を抑制
Accidentalは最小に、統計は最大になるように設定
33
3. エネルギーの分布
5)ETBGOc TBGOのみでのエネルギー損失(プラスチックシンチ除く)
6)ETBGO TBGOでの全エネルギー損失。( long gate )
7)EFBGO FBGOから見たファイバーでのエネルギー損失。
Cavity内でe+の様に振舞うバックグラウンドを消す。
34
特にこのあたりは、EC過程で生じるshake-off electronによる寄与。
カットのまとめ
• この設定され
たカットによっ
て、トリガーの
精度は求めら
れるレベルま
で高められる。
(1~6についてはGAUSSIANによるフィットから求められたもの)
(7)の低側のカットは、shake-off electronによるイベントを減らす
ように求められている。＜10^-8
35
5. Results
36
『 zero energy region 』の上限値
• 「これ以下をinvisible」と定義するエネルギーの閾値を決
めるために、試験的なrunの結果を見る。
• ファイバー読み出しを除き、1.27MeVフォトンのみでトリ
ガーを取る。
• ゼロエネルギー領域に、EC (shake-off electron)による
ピークが発生。MCシミュレーションと良く一致。
• この値について、ECプロセスとPsが形成される場合との
違いを考慮して、値を是正する。これによって得られた
ピークについて、その99%を網羅する領域を『 zero
energy region 』と定義する。
Etot < 80 keV
37
Results
• 以上のカットによって、1.41×10^8個のイベント
が残った。これらについて、ECAL(TBGOは除く)
でのエネルギー損失を全て足し上げる。  Etot
Zero energy
2×511 keV
Events
Events
Zero energy領域では、
イベント無し
100
10
1
0.1
Energy [ keV ]
0
200
400
38
Energy [ keV ]
Branching ratio の決定
• 全体に対するo-Psの割合は、崩壊時間の曲線の、
Ae  (t / o-Ps )  B 関数のフィットで見積もられる。
• ゼロエネルギー領域でイベントが観測されな
かったことによって、Brの上限値が決定する。
Br(o - Ps  invisible)  2.3/(N o-Ps   )  4.2 10-7 (90% C.L.)
Br(p - Ps  invisible)  2.3/(N p-Ps   )  4.3 10-7 (90% C.L.)
Br(e  e -  invisible)  2.3/(N e  e-   )  2.110-8 (90% C.L.)
39
6. interpretation
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Milli-charged particleの評価
• 得られた結果から、以下の式を用いることで電荷Qxeを
持つ質量mxの粒子の存在しない領域が下図のように
規定される。
 mX2 
 5QX2 me
(o - Ps  XX) 
6
 k  F  2 
 me 
electron mass
41
mirror worldの評価
• フォトン=鏡フォトンのmixing strength ・εは、
Br(o-Psinvisible)を用いて、以下の様に表
される。
Br(o - Ps  invisible) SM coll
1

2 f
2(1  Br(o - Ps  invisible) )
値を代入することで、mixing strength :εの上限値を得た。
  1.55 107 (90% C.L.)
42
7. Conclusion
• 本実験で得られた結論のまとめ
Br(o - Ps  invisible)  4.2 10 (90% C.L.)
-7
Br(p - Ps  invisible)  4.3 10 (90% C.L.)
-7
 -
Br(e e  invisible)  2.110 (90% C.L.)
  1.55 10
-8
7
(90% C.L.)
5
Q x  3.4 10 ( for m X  me )
43
Supplement
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ポジトロニウム = Ps
• もっとも単純な、粒子-反粒子の系で、電磁相互作用の
みが働いていると考えられる。
para-Positronium (p-Ps)
p - Ps  2 , 4 ,   
ortho-Positronium (o-Ps)
o - Ps  3 , 5 ,   
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Invisible Decays of Positronium
• ここで言う、『 invisible decay 』とは、『photonが
検出されない崩壊モード』を意味している。
• 標準模型(SM)では、Psは、ニュートリノ=反ニュートリノ
対へと崩壊する、invisibleな崩壊モードが存在する。
Br(o - Ps  νe νe )  6.2 10
-18
(o - Ps  3 )
Br(o - Ps  νl νl )  9.5 10
- 21
(o - Ps  3 )
l e
• もし、このSMの予想よりも高い分岐比が実験によって
観測されたならば、それは新しい物理を裏付ける確たる
46
証拠になる！
New physics への扉
• もし、このSMの予想よりも高い分岐比が実験に
よって観測されたならば、それは新しい物理を
裏付ける確たる証拠になる！
•extra dimension
•milli-charged particle
•new light gauge boson
•mirror world
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荷電粒子と the triggering photon との分別
• TBGOへ入る荷電粒子をvetoするために、1mm
厚プラスチックシンチレーターをTBGOの前面に
貼り付ける。
 同じPMTで、薄いプラスチックシンチレーターと、TBGOとの2つ
からのシンチレーション光を観測する。
この2つは、decay timeの違い
から区別することができる。
  Scinti ~ 2.7ns 


  BGO ~ 300ns 
48
シグナルは、short，long、2つのゲートについて測定される。

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