A search for $$\upmu ^+ \rightarrow \textrm{e}^+ \upgamma $$ with the first dataset of the MEG II experiment
K. Afanaciev, A. Baldini, S. Ban, Vladimir Baranov, H. Benmansour, M. Biasotti, G. Boca, P. W. Cattaneo, G. Cavoto, F. Cei, M. Chiappini, G. Chiarello, A. Corvaglia, F. Cuna, G. Dal Maso, A. de Bari, M. De Gerone, L. Ferrari Barusso, M. Francesconi, L. Galli, G. Gallucci, F. Gatti, L. Gerritzen, F. Grancagnolo, E. G. Grandoni, M. Grassi, D. N. Grigoriev, M. Hildebrandt, K. Ieki, F.V. Ignatov, F. Ikeda, T. Iwamoto, S.V. Karpov, P.-R. Kettle, N. V. Khomutov, S. Kobayashi, A. Kolesnikov, N. Kravchuk, В. А. Крылов, N. A. Kuchinskiy, W. Kyle, T. Libeiro, V. L. Malyshev, A. Matsushita, M. Meucci, S. Mihara, W. Molzon, T. Mori, M. Nakao, D. Nicolò, H. Nishiguchi, A. Ochi, S. Ogawa, Rina Onda, W. Ootani, A. Oya, D. Palo, M. Panareo, A. Papa, V. Pettinacci, A. Yu. Popov, F. Renga, S. Ritt, M. Rossella, A. Rozhdestvensky, P. Schwendimann, Kohei Shimada, G. Signorelli, Masato Takahashi, G. F. Tassielli, Kazuhiro Toyoda, Y. Uchiyama, M. Usami, A. Venturini, B. Vitali, C. Voena, Kensuke Yamamoto, K. Yanai, T. Yonemoto, Keisuke Yoshida, Yu. V. Yudin
Abstract
Abstract The MEG II experiment, based at the Paul Scherrer Institut in Switzerland, reports the result of a search for the decay $$\upmu ^+ \rightarrow {\textrm{e}}^+ \upgamma $$ <mml:math xmlns:mml="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mml:mrow> <mml:msup> <mml:mi>μ</mml:mi> <mml:mo>+</mml:mo> </mml:msup> <mml:mo>→</mml:mo> <mml:msup> <mml:mrow> <mml:mtext>e</mml:mtext> </mml:mrow> <mml:mo>+</mml:mo> </mml:msup> <mml:mi>γ</mml:mi> </mml:mrow> </mml:math> from data taken in the first physics run in 2021. No excess of events over the expected background is observed, yielding an upper limit on the branching ratio of $${\mathcal {B}} (\upmu ^+ \rightarrow {\textrm{e}}^+ \upgamma ) < 7.5 \times 10^{-13}$$ <mml:math xmlns:mml="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mml:mrow> <mml:mi>B</mml:mi> <mml:mrow> <mml:mo>(</mml:mo> <mml:msup> <mml:mi>μ</mml:mi> <mml:mo>+</mml:mo> </mml:msup> <mml:mo>→</mml:mo> <mml:msup> <mml:mrow> <mml:mtext>e</mml:mtext> </mml:mrow> <mml:mo>+</mml:mo> </mml:msup> <mml:mi>γ</mml:mi> <mml:mo>)</mml:mo> </mml:mrow> <mml:mo><</mml:mo> <mml:mn>7.5</mml:mn> <mml:mo>×</mml:mo> <mml:msup> <mml:mn>10</mml:mn> <mml:mrow> <mml:mo>-</mml:mo> <mml:mn>13</mml:mn> </mml:mrow> </mml:msup> </mml:mrow> </mml:math> (90% CL). The combination of this result and the limit obtained by MEG gives $${\mathcal {B}} (\upmu ^+ \rightarrow {\textrm{e}}^+ \upgamma ) < 3.1 \times 10^{-13}$$ <mml:math xmlns:mml="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mml:mrow> <mml:mi>B</mml:mi> <mml:mrow> <mml:mo>(</mml:mo> <mml:msup> <mml:mi>μ</mml:mi> <mml:mo>+</mml:mo> </mml:msup> <mml:mo>→</mml:mo> <mml:msup> <mml:mrow> <mml:mtext>e</mml:mtext> </mml:mrow> <mml:mo>+</mml:mo> </mml:msup> <mml:mi>γ</mml:mi> <mml:mo>)</mml:mo> </mml:mrow> <mml:mo><</mml:mo> <mml:mn>3.1</mml:mn> <mml:mo>×</mml:mo> <mml:msup> <mml:mn>10</mml:mn> <mml:mrow> <mml:mo>-</mml:mo> <mml:mn>13</mml:mn> </mml:mrow> </mml:msup> </mml:mrow> </mml:math> (90% CL), which is the most stringent limit to date. A ten-fold larger sample of data is being collected during the years 2022–2023, and data-taking will continue in the coming years.