Measurement of the absolute branching ratio for the dominant KL decays, the KL lifetime, and Vus with the KLOE detector 2008/11/06 Tohoku Y.Sato

DAΦNE (フラスカーティ、イタリア) 電子・陽電子加速器 e+e- → Φ ( ~ 1020 [MeV] ) Φ factory … K中間子のpure source ほぼ静止したΦが生成される。( PΦ ~ 12 [MeV] ) Φ → KL KS, K+ K- Kのエネルギーは monochromatic ( PK0 ~ 110 [MeV] )。 中性K中間子系による直接的CPの破れ ( KL → 2π0 ) の探索 Φ → K+K-(49.1%), KSKL(34.1%), ρπ+ π+π-π0(15.5%) K+K- ( P~127 [MeV], λ = 95 [cm]) KLKS( P~ 110 [MeV], λ = 343, 0.59 [cm]) KTeV(Fermilab)とNA48(CERN) 1999年

KLOE detector Drift chamber (DC) Electromagnetic calorimeter (EMC) 半径 2 [m], 長さ 3.3 [m] Momentum resolution Spatial resolution ~ 3 [mm] Electromagnetic calorimeter (EMC) 半径 3.25 [m], 長さ 3.25 [m] Energy resolution Time resolution Trigger カロリーメーターにThreshold 以上の2つのエネルギーデポジット → start カロリーメーターの最外面でthreshold以上のエネルギーデポジット → reject He gas mixture E > 50 MeV for the barrel E > 150 MeV for the endcaps

Intro 目的 : KLの “absolute” な分岐比、寿命の測定 KL tag KLの崩壊モード Semileptonic KL decay rate から | Vus | が求められる。 KL tag Φ → KL KS ( → π+ π- ) KSが π+π- に崩壊するのを見つけることによってKLをタグする。 KLの崩壊モード Charged : π±e±ν, π±μ±ν, π±π± π0, Neutral : π0π0π0 それそれのモードに崩壊したKLの数の比を調べる。 （acceptance, reconstruction efficiency, backgroundを修正） データ ( 2001 ~ 2002 ) Integrated luminosity L ~ 328 [pb-1] 109 個のΦ中間子 “absolute”→普通は部分崩壊幅(partial width) の比(ratio)を”fit”することによって分岐比を求める。 |Vus|と|Vud|の測定からCKM行列のユニタリティの精密な検証ができる。 |Vub|は10-5なので。 アクセプタンス … 検出できる立体角。

Tagging uncertainties tagging efficiency ( KS → π+ π- ) はKLの振る舞いに依存。 “ tag bias ” で補正（ εtag,f / εtag,tot ） Ntag : タグしたKLの数 Nf : KLが終状態 f に崩壊した数 εrec,f : rerconstruct efficiency εFV : FVのgeometrical efficiency (生成されたKLがFV中で崩壊する割合) → 後で説明。 どのモードに崩壊するか？ カロリーメーターで反応するか？ etc… FV : chamberの35 < rxy < 150 cm, |z| < 120 cm の中。 (x,y,z)は、KLのdecay vertex

KL tag by KS → π+ π - KLのtagging line を求める。 候補 : 反対の曲率の２本のトラックをもつ、IP 付近のバーテックス | m ( π+π- ) - mK0 | < 5 [MeV/c2] | Σ ( p+ + p- ) | - pK < 10 [MeV/c] KLのtagging line を求める。 KSの decay vertex と、momentum を求める。 Φ の vertexを求める。 KLの momentumを求める。 rxy < 10cm Δz < 20 cm Φの寿命~10-22 [sec] mean KS decay length ~ 5.9 [mm] Vertexが複数ある場合はIPに近い方を用いる。 PΦはすでにわかっている（みたい）。 リングの中心方向に12MeV。 π+ KS KL e+ × e- × (Φ) π-

tag bias 要因 KLの崩壊モードによってカロリーメーターの トリガー効率が変わるため。(下図) Chamberの中の他のトラックの存在により reconstruction efficiencyが変わるため。 トリガーはカメラのシャッター 高エネルギーの実験では、ビームを標的に当てて出てくるほぼ光速で走る粒子を、 様々な測定器で検出し電気信号に変えて記録します。 見たい事象が起ったことをいち早く判断して、検出器からの電気信号を読み出す命令をだすのがトリガーの役目です。 反応が起るのを待ち構えておき、丁度いいタイミングで「引き金」を引いてデータを記録するわけです。 カメラのシャッターを押すようなものといったらいいでしょうか。 π0π0π0 π+π-π0 π±e±ν π±μ±ν nuclear interaction

KL decay into charged particles dc < 0.03 rxy + 3 - 20 < ℓc < 25 [cm] dc : トラックのフィット線とバーテックスの距離 ℓc　: フィット線を予想して伸ばした距離 dc [cm] ℓc [cm] rxy [cm] dc [cm] ℓc [cm] × rxy ・ 25 [cm]

Identification of KL decays into charged particles 　 π±π± π0 missing track two tracks Δμπ = | Pmis | - Emis ２つのトラックに μ± と π± の質量をassignする。 絶対値の小さい方を Δμπ の値とする。 Emis = Etr1 + Etr2 - EKL Pmis = Ptr1 + Ptr2 - PKL MC distribution の linear combinationのfitからイベント数を求める。 残りのバックグラウンド KL → π+π- KL → π0π0π0 with π0 → e+e-γ KL → KS → π+π- regeneration Λ / Σ production from KL-nuclear interaction トータルで0.5%。 KL e- ν π+

KL → π0 π0 π0 decay 探し方 × × × KLの崩壊点 はγ がカロリーメーターに届いた時刻から求まる。 ２つの γ のペアを組み、近いものを ”chain” でつないでいく。 γ hit on the calorimeter × RKL Φ vertex × KL vertex × KL tagging line

KL → π0π0π0 decay Cut KLの崩壊点から生じた20 [MeV] 以上のγが少なくとも３つ。 バックグラウンド : “ KL → π+ π- π0 ” + machine background γ の数が 3 or 4 個の ”chain” に対して Eγ,max > 50 [MeV] 一番隣接しているクラスターを２つ選び、以下を満たす者は拒否。 Emin < [ 70 + 250( |cosθ| -1 ) ] MeV |cosθ| > 0.9 θ : クラスターのpolar angle γ の数が 3 個の ”chain”に対して KLの崩壊点のRMSが 1.2 以下

Results Absolute KL branching ratios KL branching ratios and lifetime 13×106 個のKL events が得られた。 ΤKL = 51.54 ± 0.44 [ns] を用いて、absolute branching ratios を求める。 KL branching ratios and lifetime Branching ratio の和が 1 になるようにして、KL のlifetime を求める。 τKL = 50.72 ± 0.11stat ± 0.13syst-stat ± 0.33syst [ns] +) other mode 0.0036 1.0104 ± 0.0018 stat ± 0.0074syst + KL decay to π+π-, π0π0, γγ (Σ = 0.0036)

Fiducial-volume efficiency (εFV) drift chamberの中 35< rxy ≡ √x2+y2 < 150 cm, |z| < 120 cm (x,y,z) … KLのdecay vertex FV efficiency … 生成された KL が FV 中で崩壊する割合。 KLのlifetimeに依存している。 ５０ [ns]の周りでは線形依存性。 εFV / ε0FV = 1 + 0.0128 [ τ0 - τ ] Τ0 = 51.7 [ns] ビームパイプの壁、ドリフトチェンバーの壁、ドリフトチェンバーのガスでのnuclear interactionによってFV efficiencyは影響を受ける。 GEANFIとデータで修正。

Results Rμ,e = Γ (Kμ3) / Γ (Ke3) form - factor slope f0 から計算 → Rμ,e = 0.6640 ± 0.0040 R3π = BR (KL → π0π0π0) / BR (KL → π+π-π0) 今回の結果から計算 → R3π = 1.582 ± 0.027 R3π = 1.579 | Vus | semileptonic decay rate Γ ( Kℓ3(γ) ) から計算できる。 | Vus | = 0.2257 ± 0.0022 他の実験から計算 ( | Vud | = 0.9740 ± 0.0005 ) | Vus | = 0.2265 ± 0.0021 Form-factor slope f0 from KTeV, ISTRA

Backup