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An Improved Limit on Invisible Decays of Positronium

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. 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。

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An Improved Limit on Invisible Decays of Positronium

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Presentation Transcript

  1. 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

  2. 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。

  3. Contents • Introduction • Experimental technique and setup • Background estimation and dedicated engineering run • Data analysis • Results • Interpretation • Conclusion

  4. 1. Introduction

  5. 『 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

  6. 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。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。 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。 Invisible Decays of Positronium • 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！

  7. 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

  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、o-PsはSMには無い崩壊モードを持つことになる。これはmilli-charged particleはカロリメータと反応し難いためにinvisibleな崩壊になる。

  9. 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。 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。

  10. 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。 • 重力相互作用 • mixing between mirror partners • mirror粒子は、ダークマターの候補である。

  11. mirror worldへの崩壊 photon=mirror-photon kinetic mixing e- o-Ps • o-Psは、γとγ’とを通じて、自らのmirror partnerであるo-Ps’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 e+ γ γ’ e+’ o-Ps’ e-’

  12. 2. Experimental technique and setup

  13. How to trigger the positronium? • Invisibleなので、self triggerは使うことはできない。o-Ps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+ Ps  decay Scintillatar

  14. 到達すべき精度について 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 )。

  15. 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。 エネルギーの合計は、2×511keV e+ source : 22Na 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inefficiencyとの割合から決定される。 • e+のソースとして、22Naを用いる。 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

  16. 22Naのセットアップ ファイバー両端からの読み出し　　Philips XP2020 （ 特にノイズの小さいものを選択した。 ） 二つのコインシデンス  e+通過のタグ付け 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ができる。( <1.9×10^-9 ) • 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らない。ソースホルダーも有感領域にする工夫をする。 シンチレーターで造られたファイバー ( φ500μm ) の一部を圧し潰して、平らな領域( 100μm×2mm×8mm )を造る。そこに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。

  17. 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。

  18. ファイバー×2 + FBGO によって･･･ 1.2 13±1 p.e タグ付けしよう • ファイバーでの、各XP2020によるe+の通過で得られる光電子数は、平均約1.2程。 非常に小さい 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。

  19. 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。

  20. Ps生成のターゲット • 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。 ) Scintillating Fiber source Aerogel 4x8x8mm^3

  21. 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。

  22. 3. Background estimation and dedicated engineering run

  23. 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。

  24. 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?

  25. 2) Absorption in trigger Energy Window TBGOのエネルギー分解能によって決定される。 トリガー範囲の上限値と、(the triggering photon+511keV photon)の分離は、 1786keVにできるGAUSSIANピークについて、7σ このバックグラウンドは、＜ 5×10^-9 • 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に入っても、(1275±76)keVに入ることができる。  この時、残ったフォトンが検知されなかった場合、invisibleのように見えてしまう。 γ Miss! γ(511keV) trigger ・・・Invisible?

  26. 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+(546keV) e+(200~300keV) 1.27MeV 対消滅 ＜ 10^-8 ・・・Invisible?

  27. 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?

  28. 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、これによってvetoすることができる。

  29. 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。 ・・・＜ 10^-8

  30. Total Background • Total Backgroundについて、10^-8のsensibilityを達成。

  31. 4. Data Analysis

  32. 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

  33. 2. Accidental trigger の抑制 3)ΔTXP2つのXPのファイバー読み出しの時間差 4)ΔTTBGO2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

  34. 3. エネルギーの分布 5)ETBGOcTBGOのみでのエネルギー損失(プラスチックシンチ除く) 6)ETBGOTBGOでの全エネルギー損失。( long gate ) 7)EFBGOFBGO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。 特にこのあたりは、EC過程で生じるshake-off electronによる寄与。

  35. 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

  36. 5. Results

  37. 『 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

  38. Zero energy Events 100 10 1 0.1 0200 400 Energy [ keV ] 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領域では、イベント無し Events 2×511 keV Energy [ keV ]

  39. 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、 　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。

  40. 6. interpretation

  41. 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。 electron mass

  42. 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。 値を代入することで、mixing strength :εの上限値を得た。

  43. 7. Conclusion • 本実験で得られた結論のまとめ

  44. Supplement

  45. 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) ortho-Positronium (o-Ps)

  46. 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。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。 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。 Invisible Decays of Positronium • 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！

  47. 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

  48. 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。 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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