A search for invisible particles beyond the context of the standard model using radiative decay of J//ψand ψ' mesons is executed. The used data are corresponding to 5.5×107 events of J/ψ decay and 9.4×106 events of ψ' decay taken on the peaks of their resonances respectively with the BES-II detector in e+e- collisions at the BEPC collider in the period between 1999 and 2001.

In the analysis, event selections for signal candidates are based on the distinctive topology with only single photon shower in the whole detector and the shower profile compared with the true photons from radiative Bhabha events. A new reconstruction algorithm is developed as the needs for some delicate information not included in the public data. Background events from cosmic rays and long-lived neutral baryon processes are almost excluded by the event selections. The remaining backgrounds in Monte Carlo are anti-neutron showers from J/ψ(ψ')→nn process. Photons and anti-neutrons in Monte Carlo simulation are validated by analysing the shower profiles of photons and anti-protons in the data.

After the selections, nine events are observed for J/ψ runs and one event is observed for ψ' runs. The production ratio of invisible pseudoscalar particles from radiative J/ψ and ψ' decays are measured from the distribution of the observed events comparing with Monte Carlo backgrounds. The amount of these observed events and the kinematical distributions of their showers are consistent with Monte Carlo. Hence these observed events are regarded as back-grounds. The upper limits are computed including statistical and systematical uncertainties using a profile likelihood approach on the ln L+1/2 method. The following results are obtained for invisible particles having mass less than 100MeV/c2,

The upper limit on the branching ratio of invisible radiative J/ψ decay is improved about one order than the previous limit by the Crystal Ball experiment in 1982. Furthermore the branching ratio of invisible radiative ψ' decay is measured for the first time.

The upper bound on the coupling strength of invisible pseudoscalar particles with fermions is obtained from the result. If the coupling strength is assumed to be universal among quark flavors, the coupling constant gxff for pseudoscalar particles having mass less than 100MeV/c2 is constrained as

which is one order lower limit than the previous measurements from the J/ψ and upsilon decays.

本論文は6章からなる。第1章は序章でありこの研究の背景が簡潔に述べられている。第2章ではさらに詳しくこの研究の理論的・実験的背景を説明している。第3章ではこの研究を進めるための実験装置の説明にあてられている。第4章はこの論文の中核をなし、解析の手順を詳しく述べて、探索する崩壊過程のへの分岐比を決定している。第5章ではその結果を他の実験と比較しつつ、理論的なモデルとの比較を行い、実験結果の評価をすすめる。最後に第6章が全体のまとめとなっている。

本論文は、北京の電子・陽電子衝突型加速器BEPCでの、国際共同実験BES-IIにおいて、J/Ψ粒子とΨ'粒子(以下J/Ψで代表して表現する)を大量に生成し、それが観測にかからない粒子と光子とへ崩壊するものを探索した研究である。検出器の中には光子が一個検出され他に何もないという事象を選択する。

現在素粒子物理では、標準理論と呼ばれるモデルが成功を収めているが、理論的に不十分であるとともに、それから逸脱する事象も発見されており、この理論の枠組みを超える物理の確立が重要となっている。多くの標準理論を超える理論では、通常の物質とはほとんど相互作用をしない粒子の存在が示唆されている。論文提出者は、質量が重い割には寿命が長いJ/Ψ粒子に着目しそこからの崩壊過程での探索を進めた。測定は分岐比の決定(或いは上限設定)であり、発生する粒子のモデルに寄らずに決めることができるが、特に軽い質量を持ったほとんど相互作用をしない粒子ということで、強い相互作用でのCP保存を説明する粒子であるアキシオンなどを探索対象とした。

BES-II検出器内には、光子が1つだけ観測され他に何もないという事象を拾い出す上で、多くのバックグランドとなる事象が存在する。特に宇宙線起源の事象や、J/Ψ粒子がすべてが中性粒子に崩壊する過程が問題となる。論文提出者は、エネルギーを測定する検出器であるカロリメータの中での信号分布からバックグランドと信号を弁別する手法を開発し、特に宇宙線起源のバックグランドをほぼ完全に排除することに成功した。「他に何もない」と言う条件を設定では、各測定器のノイズ分布を解析し、最適な条件を設定した。J/Ψ起源のバックグランドとしてはJ/Ψが中性子と反中性子に崩壊する過程が問題になってくることを示した。光子と反中性子のそれぞれが測定器との反応の仕方を、実際の光子や反陽子の反応を見て解析し、バックグランドを押さえる事象選択方法を決定した。

この結果、5.5×10(7)個のJ/Ψの崩壊、および9.4×10(6)のΨ'の崩壊中で、光子と見えない粒子に崩壊する事候補はそれぞれ9および1事象見つかった。この数は、J/Ψの中性子・反中性子崩壊からのバックグランドの混入率との見積もりとほぼあっており、ここから、探索している崩壊比の上限を求めた。系統誤差も考慮すると、J/Ψの崩壊から光子と「見えない粒子」Xに崩壊する分岐比

Br(J/Ψ→γX)はXが擬スカラー粒子として、その質量が1GeV以下の場合は6.4×10(-7)以下(90%コンフィデンスレベル)Xの質量が100MeV以下の場合は3.9×10(-7)以下であることを示した(Ψ'の崩壊からの結果は両方とも1.7×10(-6)以下)。この上限値は過去の実験と比較して1桁以上よい結果となった。これらからアキシオンなどの擬スカラー粒子とクォークの結合定数g(2xff)の上限が得られ9.8×10(-7)という、これも従来の上限を遙かに改善することができた。これらの成果は、今後1GeV以下の軽い質量をもった「見えない粒子」を伴う理論の構築にあたって大きな制限を与え、大きな貢献である。

本論文は、国際共同実験グループBES-IIでの共同研究であるが、この研究に関しては論文提出者が主体となって進めている。これまでのBES-II実験では荷電粒子を1つ以上含むデータの解析が中心となっており、本論文のように荷電粒子が全くない事象の解析はなされてこなかった。このため論文提出者は、実験で収集した最初のデータに戻って各段階での解析ツールを再吟味しながらこの解析用に最適化を行った。これにより、今後この実験グループが他の荷電粒子が一つも出ないJ/Ψ粒子への崩壊の解析への道筋をつけたものでもあり、大きな貢献を行った。以上により論文提出者の寄与が十分であると判断する。

したがって、博士(理学)の学位を授与できると認める。