First measurement of the $K^{+} rightarrow pi^{+}nuoverline{nu}$ decay with the NA62 experiment at CERN

Abstract

The decay $K^{+} rightarrow pi^{+}nuoverline{nu}$ with a very precisely predicted branching ratio of $8.4times 10^{-10}$ is one of the best candidates to reveal indirect effects of new physics at the highest mass scales. The NA62 experiment at CERN SPS is designed to measure the branching ratio of the $K^{+} rightarrow pi^{+}nuoverline{nu}$ decay with a decay-in-flight technique, novel for this channel. The search for the $K^{+} rightarrow pi^{+}nuoverline{nu}$ decay is presented in this thesis, based on a sample of about $10^{11}$ $K^+$ decays collected in 2016 by the NA62 experiment. The Single Event Sensitivity is found to be $3times 10^{-10}$ corresponding to about 0.26 $K^{+} rightarrow pi^{+}nuoverline{nu}$̄ and 0.15 background events expected. The analysis has revealed one candidate event compatible with the expectations. Interpreting the candidate as background leads to a 95$$ CL upper limit of $1.4times10^{-9}$ on the $K^{+} rightarrow pi^{+}nuoverline{nu}$ branching ratio. Prospects for future developments are also reviewed.Der Zerfall $K^{+} rightarrow pi^{+}nuoverline{nu}$ mit einem sehr genau vorhergesagten Verzweigungsverh"{a}ltnis von $8.4times 10^{-10}$ ist einer der besten Kandidaten, um indirekte Effekte neuer Physik auf h"{o}chsten Massenskalen zu finden. Das NA62-Experiment am CERN SPS wurde entwickelt, um das Verzweigungsverh"{a}ltnis des $K^{+} rightarrow pi^{+}nuoverline{nu}$-Zerfalls mit einer f"{u}r diesen Kanal neuartigen textit{Decay-in-flight}-Technik zu messen. Die Suche nach dem $K^{+} rightarrow pi^{+}nuoverline{nu}$-Zerfall wird in dieser Arbeit mit einem Datensatz von etwa $10^{11}$ $K^+$-Zerf"{a}llen im Jahr 2016 mit dem NA62-Experiment aufgezeichnet wurden, durchgef"{u}hrt. Die Single-Event-Sensitivit"{a}t ist $3times 10^{-10}$ und entspricht etwa 0.26 $K^{+} rightarrow pi^{+}nuoverline{nu}$- und 0.15 Hintergrundereignissen. Die Analyse findet einen Kandidaten und ist mit dem Erwartungen vereinbar. Wenn man den gefundenen Kandidaten als Untergrund interpretiert, f"{u}hrt dies zu einer Obergrenze vom $1.4times 10^{-9}$ bei 95$$ CL auf das $K^{+} rightarrow pi^{+}nuoverline{nu}$-Verzweigungsverh"{a}ltnis. Aussichten f"{u}r zuk"{u}nftige Entwicklungen werden ebenfalls dargestellt