Search for new physics with charm data at BESIII

技術要約：BESIIIにおけるチャームデータを用いた新物理の探索

問題と動機
標準模型（SM）は基本粒子の相互作用を成功裏に記述しているが、宇宙の物質・反物質非対称性やニュートリノ質量の起源といった未解決の難題を解決するには至っていない。これらの問題は標準模型の自然性や安定性に疑問を投げかけており、標準模型を超える物理（BSM）の探索を動機付けている。具体的には、物質が反物質に対して優勢であることはバリオン数非保存（BNV）の必要性を示唆しており、ニュートリノ振動は重いマヨラナ・ニュートリノを伴うシーソー機構によって説明される可能性のある、非ゼロのニュートリノ質量を示唆している。これらの理論的枠組みは、レプトン数非保存（LNV）および荷電レプトンフレーバー非保存（CLFV）を予測している。さらに、標準模型では極めて抑制されているチャームoniumの弱崩壊は、様々な新物理シナリオにおいて大幅に増強される可能性があるため、BSM物理を検出するための補完的な窓口となる。

手法とデータ
BEPCII貯蔵器リングで運用されているBESIII実験は、$J/\psi$および$\psi(3686)$共鳴状態において収集された世界最大規模のデータサンプルを利用している。解析は以下に基づいている：

• $(10087 \pm 44) \times 10^6$ 個の $J/\psi$ イベント。
• $(2712.4 \pm 14.3) \times 10^6$ 個の $\psi(3686)$ イベント。
• ベクトルおよび擬スカラー・クォークオニウム研究のための特定サブセット（例：$2367.0 \times 10^6$ 個の $\psi(3686)$ イベント）。

実験的アプローチには、以下の高度な技術が用いられている：

• ダブルタグおよびブラインド解析： $\Xi^- \to \Sigma^+ e^- e^-$ の探索において、信号候補を再構成しつつバイアスを最小限に抑えるために使用される。
• 振動解析： $\Lambda-\bar{\Lambda}$ 振動については、最終状態のバリオンの性質に基づいて、イベントを「wrong-sign」（WS）または「right-sign」（RS）に分類する。
• 統計的手法： 分岐比（BF）の上限値（UL）は、通常90%信頼区間（C.L.）において、ベイズ法、頻度論的手法、およびプロファイル尤度法を用いて導出される。
• 運動学的再構成： 信号抽出は、不変質量分布（例：$M_{p\pi^0}$, $M_{e\mu}$, $M_{\text{recoil}}^\gamma$）のフィッティング、および運動学的変数 $|\sum \vec{p}_i|/\sqrt{s}$ 対 $|\sum E_i|/\sqrt{s}$ の解析に依存する。

主な貢献と結果
本論文は、4つのカテゴリーのBSM探索にわたる最近のBESIIIの結果を包括的にまとめている：

1. レプトン数非保存 (LNV):

   • ハイペロン崩壊： $\Delta L = 2$ プロセスである $\Xi^- \to \Sigma^+ e^- e^-$ の初の探索が行われた。有意な信号は見出されなかった。$\mathcal{B}(\Xi^- \to \Sigma^+ e^- e^-) < 2.0 \times 10^{-5}$ という上限値が設定された。
   • メソン崩壊： メソン系（$\eta, \omega, \phi, J/\psi$）におけるニュートリノレス二重ベータ崩壊の初の探索が行われた。$\eta \to \pi^+ \pi^+ e^- e^-$ ($4.6 \times 10^{-6}$)、$\omega \to \pi^+ \pi^+ e^- e^-$ ($2.8 \times 10^{-6}$)、$\phi \to \pi^+ \pi^+ e^- e^-$ ($3.7 \times 10^{-6}$)、および $J/\psi \to K^+ K^+ e^- e^-$ ($2.1 \times 10^{-9}$) に対して上限値が確立された。

2. バリオン数非保存 (BNV) および振動:

   • $\Lambda-\bar{\Lambda}$ 振動： $J/\psi \to \Lambda \bar{\Lambda}$ を介した $\Lambda-\bar{\Lambda}$ 振動の初の探索が行われた。WSイベントは観測されなかった。時間積分された振動率は $P(\Lambda) < 1.4 \times 10^{-6}$ と制約され、これは振動パラメータ $\delta m_{\Lambda \bar{\Lambda}} < 2.1 \times 10^{-18}$ GeV および振動時間 $\tau_{\text{osc}} > 3.1 \times 10^{-7}$ s に相当する。この結果は、従来の測定よりも厳格な制約を与えるものである。
   • LNVおよびBNVの結合： $J/\psi \to p e^- + c.c.$ の探索では有意な信号は見出されず、$\mathcal{B} < 3.1 \times 10^{-8}$ というULが得られた。

3. 荷電レプトンフレーバー非保存 (CLFV):

   • ベクトル状態： $\psi(3686) \to e\mu$ について、期待される背景事象 $6.2 \pm 1.4$ に対して8個の候補イベントが観測された。有意な超過は見出されず、$\mathcal{B}(\psi(3686) \to e\mu) < 1.4 \times 10^{-8}$ となった。
   • 擬スカラー状態： $\eta' \to e\mu$ および $\eta \to e\mu$ の探索が行われた。設定された限界値は $\mathcal{B}(\eta' \to e\mu) < 6.3 \times 10^{-7}$ （CLEOより3桁厳格）および $\mathcal{B}(\eta \to e\mu) < 6.8 \times 10^{-7}$ （1996年の$pd$散乱限界より1桁改善）である。

4. チャームonium弱崩壊:

   • フレーバー変化中性流（$c \to u$）および荷電流（$c \to d$）を伴う稀な弱崩壊の探索が行われた。$J/\psi \to D^0 K^{*0}$, $J/\psi \to \gamma D^0$, $J/\psi \to D^0 \mu^+ \mu^-$, および様々な $D_s$ モードにおいて、有意な信号は見出されなかった。
   • 上限値は $10^{-7}$ から $10^{-8}$ のレベルに設定されており、トップカラー、Rパリティを破るSUSY、および2ヒッグス二重項モデルなどのモデルを大幅に制約している。

意義
本論文は、これらの測定が幅広い新物理シナリオに対して重要な実験的制約を提供することを主張している。どのチャンネルにおいても有意な信号は観測されなかったが、確立された厳格な上限値は、様々なBSMモデルのパラメータ空間を制約するための貴重な指針を提供する。これらの結果は、多くの特定のプロセスに対する初の探索または更新された研究であり、BESIIIが提供するユニークな高統計チャームデータの環境を活用している。著者は、BEPCIIでのデータ蓄積の継続に伴い、感度のさらなる向上が期待されており、それが新物理の証拠を明らかにするか、あるいは現在の限界をさらに厳格なレベルへと押し上げるかのいずれかになると述べている。