Цикл работ объединяет результаты анализа данных эксперимента NA48/2 по изучению редких распадов и результаты поиска в эксперименте NA62 явлений, запрещенных в рамках стандартной модели. Проведенные исследования выполнены в рамках программ проекта NA62 и темы 1096 Проблемно-тематического плана ОИЯИ при определяющем вкладе сотрудников Лаборатории физики высоких энергий им. В.И. Векслера и А.М. Балдина ОИЯИ и опубликованы в ведущих научных журналах. Предварительные результаты представлялись сотрудниками ЛФВЭ на международных конференциях от имени коллабораций NA48/2 и NA62.

Коллектив авторов в составе Е. А. Гудзовский, В. Д. Кекелидзе, Д. Т. Мадигожин, М. Х. Мишева, Ю. К. Потребеников, С. Н. Шкаровский за работу «Изучение редких и поиск запрещенных распадов заряженных каонов» был награжден второй премией ОИЯИ за 2019 г. в номинации «Научно-исследовательские экспериментальные работы».

Измерение форм-факторов полулептонных распадов заряженных каонов

Измерения форм-факторов распада K^±→π⁰l⁺ν (K^±_l3, где l = e, µ), совместно с величиной полной вероятности этого распада, позволяют определить модуль элемента матрицы СКМ |V_us|. Группой ОИЯИ в рамках эксперимента NA48/2 было выполнено измерение векторного f₊ и скалярного f₀ форм-факторов распадов K_е3, K_μ3 для трех наиболее используемых параметризаций f₊ и f₀, а также комбинированное измерение этих форм-факторов для K_l3.

Далиц-плоты отобранных событий показаны на рис. 1. После поправки на фон они были использованы для извлечения параметров форм-факторов путем фитирования. Полная статистика отобранных событий составила 4.4∙10⁶ для K_e3 и 2.3∙10⁶ для K_μ3. Наибольшие вклады в фон дают распады каона на π^±π⁰ и π^±π⁰π⁰ (0.6∙10^-3 и 2.5∙10^-3 для K_e3 и K_μ3 соответственно). Для наглядной оценки качества фита на рис. 2 приведены экспериментальные распределения по энергии пиона и лептона в системе центра масс каона после вычитания фона вместе с результатами фитирования с использованием параметризации Тейлора для описания форм-факторов.

Рис. 1: распределения по измеренным энергиям пиона и лептона в системе центра масс каона для отобранных событий K^±_l3 распадов (Далиц-плоты)

Рис. 2: Распределения по восстановленным энергиям лептона и пиона для данных после вычитания фона и результаты фитирования форм-факторов рядами Тейлора

Рис. 3: Контуры, соответствующие доверительному уровню 39.4% (одному стандартному отклонению для всех ошибок в случае двух измерений), для параметров форм-факторов при их разложения в ряд Тейлора. Результаты приведены для комбинированного анализа мод K_e3 и K_μ3

На рис. 3 представлены результаты объединенного измерения для K_e3 и K_μ3 в NA48/2 и их сравнение с соответствующими результатами экспериментов KTeV, KLOE, NA48 и ISTRA+. Полученные результаты согласуются с признанными измерениями других экспериментов. Комбинированный результат настоящей работы для K_e3 и K_μ3 является наиболее точным на текущий момент.

Первое наблюдение и изучение распада K^±→π^±π⁰e⁺e^—

На основе данных, полученных в эксперименте NA48/2 в 2003-2004 годах, было отобрано 4919 кандидатов в распад каона K^±→π^±π⁰e⁺e^— и было сделано измерение относительной вероятности этого распада: BR(K^±→π^±π⁰e⁺e^—) = (4.237 ± 0.063_stat ± 0.033_syst ± 0.126_ext)∙10^-6.

Радиационный распад каона K^±→π^±π⁰e⁺e^—, происходящий через виртуальный обмен фотоном с последующим образованием электрон-позитронной пары, ранее не наблюдался экспериментально. Распад представляет интерес для проверки моделей квантовой хромодинамики при низких энергиях, таких, как киральная пертурбативная теория возмущений (ChPT) — эффективная теория поля, описывающая сильные взаимодействия при переданных импульсах ниже 1 ГэВ.

В качестве нормализационного процесса для измерения относительной вероятности распада K^±→π^±π⁰e⁺e^— был выбран распад K^±→π^±π⁰_D. Было отобрано 16.3∙10⁶ кандидатов в этот распад. Оценка фона в сигнале π^±π⁰e⁺e^— составила 4.9%, фон для нормализационного канала π^±π⁰_D составил 0.11%. Для сигнала реконструированные распределения масс π⁰→γγ и K^±→π^±π⁰e⁺e^— по эффективным массам показаны на рисунке 4. На рисунке 5 приведены аналогичные распределения масс π⁰→γe⁺e^— и K^±→π^±π⁰_D для нормализационной моды.

Рис. 4: Кандидаты сигнала K^±→π^±π⁰e⁺e^—. Слева восстановленная масса π⁰→γγ. Справа — масса K^±→π^±π⁰e⁺e^—

Рис. 5: Кандидаты в события нормализационного сигнала K^±→π^±π⁰_D. Слева: восстановленная масса π⁰→γe⁺e^—. Справа: реконструированная масса K^±→π^±π⁰_D

Результат измерения относительной вероятности BR(K^±→π^±π⁰e⁺e^—) = (4.237 ± 0.063_stat ± 0.033_syst ± 0.126_ext)∙10^-6. Систематическая ошибка вызвана преимущественно неопределенностью радиационных эффектов, а внешняя ошибка (ext) связана с неопределенностью относительной вероятности распада π⁰_D.

Поиск двойных безнейтринных распадов каона K⁺→π^—e⁺e⁺ и K⁺→π^—μ⁺μ⁺

С использованием данных, полученных в эксперименте NA62 в ЦЕРН на рекордном уровне чувствительности проведен поиск двойных безнейтринных распадов каона K⁺→π^—e⁺e⁺ и K⁺→π^—μ⁺μ⁺, нарушающих сохранение лептонного числа. Триггер для распадов на лептонные пары в рамках системы сбора данных NA62 был предложен и реализован группой, координируемой сотрудником ЛФВЭ. Физический анализ данных также проведен сотрудником ЛФВЭ, который является координатором рабочей группы NA62 по изучению редких и запрещенных процессов.

В рамках стандартной модели нейтрино имеют нулевую массу, но открытие нейтринных осцилляций показало, что массы нейтрино отличны от нуля. Это мотивирует поиск процессов, нарушающих сохранение лептонного числа, поскольку их наблюдение позволяет установить майорановскую природу нейтрино. На рис. 6 для отобранных событий из экспериментальных данных и смоделированных источников фона показаны распределения восстановленных масс систем K⁺→π^—e⁺e⁺ и K⁺→π^—μ⁺μ⁺. Ожидаемый фон в области сигнала составил 0,16 ± 0,03 и 0,91 ± 0,41 событий, а количество реально наблюдаемых событий в данных – 0 и 1, соответственно. Этот факт позволил установить верхние пределы на парциальные ширины данных распадов 2,2 ∙ 10^-10 и 4,2 ∙ 10^-11 на уровне достоверности 90%, соответственно. Полученный результат привел к уточнению мировых данных по возможному несохранению лептонного числа. Анализ данных 2018 года позволит улучшить чувствительность.

Рис. 6: Распределения реконструированной массы для распадов K⁺→π^—e⁺e⁺ (слева) и K⁺→π^—μ⁺μ⁺ (справа). Вертикальные линии указывают принятые границы сигнала в области массы каона

Поиск рождения тяжелого нейтрального лептона в распадах K⁺

На основе данных, полученных с минимально смещающим триггером в эксперименте NA62 в ЦЕРН в 2015 году, проведен поиск распадов K⁺ на электрон или мюон и тяжелый нейтральный лептон в диапазоне масс нейтрального лептона 170-448 МэВ/с².

Многие расширения Стандартной Модели (СМ) предсказывают новые частицы — такие, как тяжелые нейтральные лептоны (HNL, обозначенное ниже N) или тяжелые нейтрино, которые могут рождаться в распадах каонов. Смешивание между HNL и обычными нейтрино Стандартной Модели может приводить к образованию HNL в таких распадах мезонов, как K⁺→l⁺N (l = e, μ). Относительная вероятность распада каона в этом случае определяется массой HNL m_N и параметром такого смешивания |U_l4|².

Рис. 7: Распределения по квадрату недостающей массы для экспериментальных данных и для результатов моделирования, при отборе событий с e⁺ (a) и μ⁺ (b). Пары вертикальных стрелок на каждом графике указывают ожидаемые области сигнала от обычного нейтрино (в области нуля) и от HNL

Рис. 8: Верхние пределы на величину |U_l4|² при доверительном уровне 90%, полученные для разных предполагаемых масс HNL

На рисунке 7 показаны распределения по квадрату недостающей массы для отобранных событий в экспериментальных данных и в результатах моделирования. Поиск сигнала HNL проводился в интервале, обозначенном на рисунке стрелками: 0.03–0.20 ГэВ²/c⁴ для e⁺ и 0.06–0.14 ГэВ²/c⁴ для μ⁺. Поиск распада K⁺→l⁺N состоял в попытке обнаружения пика над фоном в предполагаемой области масс HNL.

Полученные верхние пределы на |U_l4|² при доверительном уровне 90% показаны на рисунке 8 вместе с результатами предыдущих исследований HNL-процессов в распадах π⁺ (TRIUMF, PIENU) и K⁺ (KEK, E949, NA62-2007). Новый результат улучшает ранее полученные ограничения на |U_e4|² при массах выше 300 МэВ/с².

Д. Т. Мадигожин, начальник сектора ЛФВЭ ОИЯИ,
Ю. К. Потребеников, заместитель директора ЛФВЭ ОИЯИ