平成16年12月博士(理学)申請 吉岡　瑞樹 1/13/2005 博士学位論文審査会

解析手法 (Bifurcation Method) バックグラウンド・スタディ バックグラウンドの評価 正当性の確認 結果 信号の探索 Outline イントロダクション Physics Motivation これまでの実験結果 BNL-E949実験 オフライン解析 オフライン解析の概要 バックグラウンドの分類 解析手法 (Bifurcation Method) バックグラウンド・スタディ バックグラウンドの評価 正当性の確認 結果 信号の探索 Single-Event-Sensitivity の計算 結論　 1/13/2005 博士学位論文審査会

Physics Motivation カイラル摂動理論(低エネルギーQCDの有効場理論)の 実験的検証。 1. Introduction Physics Motivation カイラル摂動理論(低エネルギーQCDの有効場理論)の 　実験的検証。 - 特異な運動量分布 (confirmed by previous experiment) - 高次の補正の有無 (not confirmed yet)　 静止K+ 崩壊からのπ+ 運動量分布 今回の 探索領域 zoom >213MeV/c 実線 : 高次補正有り　　破線 : 高次補正無し 1/13/2005 博士学位論文審査会

Physics Motivation(Cont.) 1. Introduction Physics Motivation(Cont.) (横軸：π+ spectrum と分岐比を決める不定パラメータ) 補正有り 分岐比にしておよそ 1桁異なる。 補正無し 　　　　　　　　　　　　は高次補正の有無を確認するのに良い領域。 1/13/2005 博士学位論文審査会

Experimental Status 静止 K+崩壊から生成される荷電粒子の運動量分布 - バックグラウンド 1. Introduction Experimental Status 静止 K+崩壊から生成される荷電粒子の運動量分布 π+π0 - バックグラウンド K+→π+π0 ;π0 →γγ (Kπ2崩壊) - 終状態が同一 - 分岐比 21% E787(前実験) : 探索領域を2つに分割 1/13/2005 博士学位論文審査会

Experimental Status(Cont.) 1. Introduction Experimental Status(Cont.) Results from E787 PRL79(97)4079 観測された３１事象はカイラル摂動論を支持。 しかしながら、高次補正なしと矛盾しない。 → Kπ2 peak より上の領域で探索を続行 (BNL-E949実験) 1/13/2005 博士学位論文審査会

2. BNL-E949 BNL-E949 Collaboration 60 physicists, 15 institutes from Canada, Japan, Russia and the US. V.V. Anisimovsky1,A.V. Artamonov2, B. Bassalleck3, B. Bhuyan4, E.W. Blackmore5, D.A. Bryman6, S. Chen5, I-H. Chiang4, I.-A. Christidi7, P.S. Cooper8, M.V. Diwan4, J.S. Frank4, T. Fujiwara9, J. Hu5, A.P. Ivashkin1, D.E. Jaffe4, S. Kabe10, S.H. Kettell4, M.M. Khabibullin1, A.N. Khotjantsev1, P. Kitching11, M. Kobayashi10, T.K. Komatsubara10, A. Konaka5, A.P. Kozhevnikov2, Yu.G. Kudenko1, A. Kushnirenko8, L.G. Landsberg2, B. Lewis3, K.K. Li4, L.S. Littenberg4, J.A. Macdonald5, J. Mildenberger5, O.V. Mineev1, M. Miyajima12, K. Mizouchi9, V.A. Mukhin2, N. Muramatsu13, T. Nakano13, M. Nomachi14, T. Nomura9, T. Numao5, V.F. Obraztsov2, K. Omata10, D.I. Patalakha2, S.V. Petrenko2, R. Poutissou5, E.J. Ramberg8, G. Redlinger4, T. Sato10, T. Sekiguchi10, T. Shinkawa15, R.C. Strand4, S. Sugimoto10, Y. Tamagawa12, R. Tschirhart8, T. Tsunemi10, D.V. Vavilov2, B. Viren4, N.V. Yershov1, Y. Yoshimura10 and T. Yoshioka10 1. Institute for Nuclear Research (INR), 2. Institute for High Energy Physics (IHEP), 3. University of New Mexico (UNM), 4. Brookhaven National Laboratory (BNL), 5. TRIUMF, 6. University of British Columbia, 7. Stony Brook University, 8. Fermi National Accelerator Laboratory (FNAL), 9. Kyoto University, 10. High Energy Accelerator Research Organization (KEK), 11. Centre for Subatomic Research, University of Alberta, 12. Fukui University, 13. Research Center for Nuclear Physics (RCNP), Osaka University, 14. Osaka University, 15. National Defense Academy. 1/13/2005 博士学位論文審査会

BNL-E949 Experiment 側面図 Stopped Kaon Experiment K+ を測定器中で静止させ、 　その崩壊を観測する。 E949スペクトロメーター 　円筒形、1-テスラの磁場中に設置 　(図：側面図、断面図の上半分)　 π+ K+ AGS加速器からの大強度かつ 　高純度のK+　ビーム - K+ intensity in the spill : 12 M (2.2sec/5.4sec : duty factor 41%) - K+ momentum : 710 MeV/c - K+ : π+ = 3 : 1 断面図 π+ 1/13/2005 博士学位論文審査会

2. BNL-E949 E949 Detector 1/13/2005 博士学位論文審査会

Beam Instruments 側面図 断面図 2. BNL-E949 • K+ がターゲットに到達したことを保証。 • K+ の崩壊時間にactivityがないことを保証。 - Čerenkov Counter - Beam Wire Proportional Chambers (BWPC) - Degraders (BeO and AD) - B4 Counter 1/13/2005 博士学位論文審査会

K+ Stopping Target 側面図 π+ π+ K+ K+ 断面図 2. BNL-E949 断面図 側面図 シンチレーティング・ファイバーの束 - 413 fibers, 5mm x 5mm cross section 断面図 ターゲット中で測定された 入射K+ と崩壊生成した 荷電粒子の時間差が2nsec 以上であることを要求。 → “Delayed Coincidence” K+→μν events Kaon d.i.f. events 1/13/2005 博士学位論文審査会

Charged Track Measurement 2. BNL-E949 Charged Track Measurement 側面図 Drift Chamber 1-テスラの磁場中での曲率により、荷電粒子 　の運動量を測定 Range Stack - 19層のプラスティック・シンチレーター、 24セクターにセグメント 　- 荷電粒子はRange Stack中で止まる。 → 荷電粒子のレンジ・運動エネルギーを測定 断面図 π+ 荷電粒子の運動学的パラメータ (運動量・レンジ・運動エネルギー)を 冗長性を持って測定できる。 1/13/2005 博士学位論文審査会

Charged Track Measurement 2. BNL-E949 Charged Track Measurement 側面図 Drift Chamber 1-テスラの磁場中での曲率により、荷電粒子 　の運動量を測定 Range Stack - 19層のプラスティック・シンチレーター、 24セクターにセグメント 　- 荷電粒子はRange Stack中で止まる。 → 荷電粒子のレンジ・運動エネルギーを測定 断面図 荷電粒子の運動学的パラメータ (運動量・レンジ・運動エネルギー)を 冗長性を持って測定できる。 1/13/2005 博士学位論文審査会

Particle Identification 2. BNL-E949 Particle Identification 側面図 Range Stackでの両端の波形は 500MHz Transient Digitizers (TDs) で記録される。 Stopping counter 断面図 →　Stopping Counter で　　　　　　　　崩壊連鎖を観測し、荷電粒子がπ+ であることを保証。(Particle Identification) 1/13/2005 博士学位論文審査会

Barrel Photon Detectors 2. BNL-E949 Barrel Photon Detectors 側面図 Barrel Veto Liner 　サンプリング・カロリメター。48セクターに 　セグメント。 Barrel Veto 　サンプリング・カロリメター。4層、48セクター 　にセグメント。 断面図 オフライン解析でフォトンの再構成 (クラスタリング)に使われる。 1/13/2005 博士学位論文審査会

Upgrade of the Trigger System 2. BNL-E949 Upgrade of the Trigger System • PLD-based Level-0 Trigger Board and Mean-timer modules were installed. → Reduced dead time. 4.0% → 1.7% (Trigger Board) 4.9% → 1.8% (Mean-timer) オンライン アクセプタンス・ロス vs. ビーム・レート T.Yoshioka, M.Nomachi et al., IEEE Trans. Nucl. Sci. 51, 334 (2004) 1/13/2005 博士学位論文審査会

Collected Data ~25ev/spill, no prescale. 2. BNL-E949 Collected Data ~25ev/spill, no prescale. Accumulated Kaons : ~1.192e12. Event Display Expected S.E.S 補正無し 5.0E-10 ~2.1E-9 補正有り 6.0E-9 ~3.3E-9 高次補正があれば 信号の観測が期待。 1/13/2005 博士学位論文審査会

Analysis Strategy Goal 事象の選択 ： 全選択条件をデータに課した後、 信号領域に残った事象を信号と同定する。 3. Offline Analysis Analysis Strategy Goal 事象の選択 ： 全選択条件をデータに課した後、 　信号領域に残った事象を信号と同定する。 解析手順 イベント再構成 荷電粒子 (Target, Drift Chamber and Range Stack) バレル領域でのフォトン • バックグラウンドスタディ - バックグラウンドの分類 - バックグラウンドの評価 → “Bifurcation Method”(実データ) 結果 - 信号の探索 - Single-Event-Sensitivityの計算 1/13/2005 博士学位論文審査会

Signal Identification 3. Offline Analysis Signal Identification (1) 荷電粒子に対する要求　 - 運動学的パラメータ(運動量・レンジ・ 運動エネルギー)がK+→π+π0 崩壊 のπ+ より高い 。 - 荷電粒子がπ+ である(Particle ID)。 Signal Signature π+ track (2) フォトンに対する要求 - バレル領域で再構成されたフォトン・ 　クラスターの数が1個、または2個。 - エネルギーが高い方のフォトンはπ+　 　　に対して反対側で検出される。 Higher Energy Photon Lower Energy Photon (3) 入射ビームに対する要求 - ターゲット中でK+　が静止・崩壊した。 - 他の入射ビームがK+　の崩壊時間に Beamline 検出器で同時計測されない。 Photon Cluster in Barrel 1/13/2005 博士学位論文審査会

Background Categorization 3. Offline Analysis Background Categorization 運動量 vs レンジ (a) 静止K+崩壊からのバックグラウンド (1) Kπ2 Background (2) Overlapping Photon Background (3) Muon Background (b) 入射ビームによるバックグラウンド (1) Single-Beam Background (2) Double-Beam Background → Five Background Sources Search Region イベント再構成後の荷電粒子 の運動量・レンジの2次元分布 図中　　は信号領域。 1/13/2005 博士学位論文審査会

Overlapping Photon Kπ2 崩壊中のπ0 からくるエネルギーが E はKπ2 peakより高い。 3. Offline Analysis Overlapping Photon 運動量 vs レンジ Kπ2 崩壊中のπ0 からくるエネルギーが 　低い方(20MeV)のフォトンが荷電粒子に オーバーラップしてシャワーを起こす。 　エネルギーが高い方のフォトンは運動学 　により荷電粒子の反対側に飛ぶ。 Search Region E はKπ2 peakより高い。 P, R はKπ2 peak とconsistent 1/13/2005 博士学位論文審査会

Muon Background 3. Offline Analysis シグナル バックグラウンド 運動量 vs レンジ Search Region バックグラウンド 1/13/2005 博士学位論文審査会

Single Beam Backgrounds 3. Offline Analysis Single Beam Backgrounds - Single-Beam Background 運動量 vs レンジ ターゲット側面図 Search Region 入射K+がターゲット中で静止する前にKπ2 に崩壊。 荷電粒子のkinematics がブーストされる。 → Delayed Coincidence が有効。 1/13/2005 博士学位論文審査会

Double Beam Backgrounds 3. Offline Analysis Double Beam Backgrounds 運動量 vs レンジ - Double-Beam Background Search Region ターゲット中で測定された入射K+ と崩壊生成した荷電粒子のタイミング 　が別の粒子によって作られる。→ Delayed Coincidenceが効かない 　→ Beamline検出器でK+　の崩壊時間に activityがないことを要求。 1/13/2005 博士学位論文審査会

Bifurcation Method 目標とするバックグラウンドに対して大きな排除効率を持つ 3. Offline Analysis Bifurcation Method 目標とするバックグラウンドに対して大きな排除効率を持つ 　独立した2つのカットを用意する(Cut1 and Cut2)。 B D 2つのカットが独立ならば、 A : B = C : D ↔ A = B ×C/D が成り立つ。　　　　　　　　 Cut1 looser Cut Position A C 信号領域に混入してくるバックグラウンド の数(A:少数統計)を信号領域の外側での 分布(B,C,D:高統計)から実データを用いて 精度よく推測できる。 Cut2 信号領域 Cut Position looser 1/13/2005 博士学位論文審査会

Bifurcation Method (Example) 3. Offline Analysis Bifurcation Method (Example) Example : Kpi2 background Cut1 = フォトンに対するカット Cut2 = 荷電粒子に対するカット Kπ2以外のバックグラウンドを排除するカットを 事前にかけておく (Setup Cuts)。 1/13/2005 博士学位論文審査会

Bifurcation Method (Example) 3. Offline Analysis Bifurcation Method (Example) Example : Kpi2 background Cut1 = フォトンに対するカット Cut2 = 荷電粒子に対するカット Normalization Branch B Photon cuts(Cut1) をfail するイベント(B+D)でKπ2を tag し、kinematic cuts(Cut2) をpass するイベント(B) を数える。 1/13/2005 博士学位論文審査会

Bifurcation Method (Example) 3. Offline Analysis Bifurcation Method (Example) Example : Kpi2 background Cut1 = フォトンに対するカット Cut2 = 荷電粒子に対するカット Rejection Branch R=(C+D)/C Kinematic cuts(Cut2) をfail するイベント(C+D)で Kπ2をtag し、photon cuts(Cut2)のrejection((C+D)/C) を見積もる 1/13/2005 博士学位論文審査会

Bifurcation Method (Example) 3. Offline Analysis Bifurcation Method (Example) Example : Kpi2 background Cut1 = フォトンに対するカット Cut2 = 荷電粒子に対するカット B R=(C+D)/C 1/13/2005 博士学位論文審査会

Kπ2 Background The two bifurcation cuts are: 4. Background Studies Kπ2 Background The two bifurcation cuts are: - 荷電粒子の運動量・レンジ・エネルギーに対するカット - フォトンに対するカット Normalization Branch Rejection Branch Normalization 0.096 Rejection 9.59 Kπ2 バックグラウンド = 0.017 ± 0.006 events 1/13/2005 博士学位論文審査会

Overlapping Photon Background 4. Background Studies Overlapping Photon Background The two bifurcation cuts are: - 荷電粒子の運動量・レンジに対するカット - Range Stack中でのdE/dxに対するカット 　　　　　　　　 Normalization Branch Rejection Branch Normalization 1 Rejection 24.5 Overlapping Photon バックグラウンド = 0.065 ± 0.065 events 1/13/2005 博士学位論文審査会

Muon Background The two bifurcation cuts are: 4. Background Studies Muon Background The two bifurcation cuts are: - 荷電粒子の運動量・レンジ・エネルギーに対するカット - Particle Identification カット( detection) Normalization Branch Rejection Branch Normalization 44 Rejection 737.9 Muon バックグラウンド = 0.090 ± 0.020 events 1/13/2005 博士学位論文審査会

Beam Backgrounds Single beam background: - Delayed Coincidence カット 4. Background Studies Beam Backgrounds Single beam background: - Delayed Coincidence カット - Čerenkov カウンターでのタイミングカット 　 Normalization 3.36 Rejection 205.0 Single beam バックグラウンド = 0.025 ± 0.014 events Double beam background: 　- Čerenkov カウンター、ビームチェンバーでのタイミングカット 　- B4 カウンターでのタイミングカット 　 Normalization Rejection 11.9 Double beam バックグラウンド = 0.006 (90% C.L.) events 1/13/2005 博士学位論文審査会

Correlation Check - Bifurcation Method で用いた2つのカットの独立性の確認 4. Background Studies Correlation Check - Bifurcation Method で用いた2つのカットの独立性の確認　　 2つのカットを同時に緩める。 Background functionによる予測 と信号領域の外側で実際に観測 されたイベント数を比べる。 - Prediction N(outside) = BC/D(M x N - 1) Kinematics Photon Background function 　→ カットポジションを変えて、 　各点でバックグラウンドと 　アクセプタンスを再評価する。 1/13/2005 博士学位論文審査会

Correlation Check • : prediction • : observation 観測されたイベント数は 4. Background Studies Correlation Check Kπ2 • : prediction • : observation 観測されたイベント数は background functionの 予測と良く一致している。 → Bifurcation Methodで 　 用いた2つのカットの 　 独立性が確認された。 = 評価されたバックグラ 　　ウンドは reliable。 Muon Beam 1/13/2005 博士学位論文審査会

Summary of Background Study 4. Background Studies Summary of Background Study source Kinematics Photon Particle ID Timing Background Level Kpi2 √ 0.017 ± 0.006 events Overlap 0.065 ± 0.065 events Muon 0.090 ± 0.020 events 1Beam 0.025 ± 0.014 events 2Beam √ √ < 0.006(90% C.L.) events Total 0.197 ± 0.070 events Particle ID : Range Stack dE/dx, detection and beam Čerenkov. 信号領域でのバックグラウンドの合計は 0.197 ± 0.070 イベント 　と評価された。 Bifurcation Method で用いた2つのカットの独立性が確認された。 1/13/2005 博士学位論文審査会

Opening-the-Box - 全選択条件を課した後の荷電粒子のレンジ・運動エネルギー分布。 5. Results Real Data Monte Carlo 信号領域 No signal event is found Kπ2　backgrounds - 全選択条件を課した後の荷電粒子のレンジ・運動エネルギー分布。 1/13/2005 博士学位論文審査会

Acceptances できる限り実データを用いて算出。トリガーアクセプタンス等、 5. Results Acceptances できる限り実データを用いて算出。トリガーアクセプタンス等、 　他に手段がないものはモンテカルロ・シミュレーションで求める。 (* モンテカルロ・イベントは200MeV/c 以上で生成。) 1/13/2005 博士学位論文審査会

Acceptances できる限り実データを用いて算出。トリガーアクセプタンス等、 5. Results Acceptances できる限り実データを用いて算出。トリガーアクセプタンス等、 　他に手段がないものはモンテカルロ・シミュレーションで求める。 (* モンテカルロ・イベントは200MeV/c 以上で生成。) 1/13/2005 博士学位論文審査会

Acceptances できる限り実データを用いて算出。トリガーアクセプタンス等、 5. Results Acceptances できる限り実データを用いて算出。トリガーアクセプタンス等、 　他に手段がないものはモンテカルロ・シミュレーションで求める。 (* モンテカルロ・イベントは200MeV/c 以上で生成。) 1/13/2005 博士学位論文審査会

Single Event Sensitivity 5. Results Single Event Sensitivity • Single Event Sensitivity (S.E.S) - Acceptance : 1.655×10-5(補正無し)、1.550×10-4(補正有り) - Target中でのK+ の静止効率 : 0.7541 - # of K+ beam : 1.192×1012 Br(Theory) (10-9) S.E.S (10-9) Expected(events) 補正無し 3.50 67.2 0.05 補正有り 11.8 7.18 1.64 カイラル摂動理論の高次補正が存在すれば、SES は予言値 に達しており、1.64イベント観測が期待できた。 1/13/2005 博士学位論文審査会

Results Unified approach(Feldman-Cousins)の2.44イベントを用いて、 90% Confidence Levelの上限値を得た。 信号領域の下限値 高次補正の有無によらず、 いずれもカイラル摂動論の 予言値と矛盾しない結果と なった。 Phase Spaceを仮定した場合、 前実験より7.6倍厳しい上限値 を与えた。　 90% U.L. ChPT O(p6) 1/13/2005 博士学位論文審査会

Conclusion カイラル摂動理論の高次補正の有無を確認するため、 BNL-E949実験が2002年に収集したデータを用いて 6. Couclusion Conclusion カイラル摂動理論の高次補正の有無を確認するため、 　BNL-E949実験が2002年に収集したデータを用いて 　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　の探索を行った。 信号領域でのバックグラウンドを評価するため、 　“Bifurcation Method” が用いられ、バックグラウンドの合計は 0.197±0.070 イベントと見積もられた。 -　　　　　　　　崩壊分岐比に対する上限値(90% C.L.)は、 　となり、 この崩壊モードに対して最も厳しい上限値を得た。 1/13/2005 博士学位論文審査会