Μ粒子電子転換事象探索実験による世界最高感度での荷電LFV探索第3回機構シンポジューム 2009年5月11日素粒子原子核研究所　三原　智

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ほのかおおふさ
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1 μ 粒子電子転換事象探索実験による世界最高感度での荷電 LFV 探索第 3 回機構シンポジューム 2010 年 5 月 11 日素粒子原子核研究所三原智

2 目次はじめに clfv (Charged Lepton Flavor Violation) 探索 J-PARC μ 粒子電子転換事象探索実験 COMET まとめ

3 はじめに標準模型を超えた新しい物理への手がかり ( ヒント ) ニュートリ振動 g-2 B 崩壊新しい物理法則の実験的証拠の確立をめざす超対称大統一理論シーソー理論高エネルギーフロンティア実験と相補的

4 2016 年開始を目標として J-PARC で m 粒子電子転換事象探索実験を実施したい

5 超対称大統一理論クォークと電子ニュートリノも統一

6 素粒子 3 世代の間の遷移クォーク : 小林益川の 3 世代クォーク理論 ( 標準理論の確立 ) 荷電レプトン : 新しい物理法則の決定的証拠 ( 超対称大統一理論等 ) ニュートリノ振動現象の発見 : ゲルマン柳田のシーソー理論 ( 新物理のヒント )

7 CLFV 探索

8 clfv 探索の歴史新しい加速器新しい検出器絶え間ない努力

9 なぜ clfv 探索なのか? 標準模型 (SM) からのバックグラウンドがないハドロニックな不定性の影響がない発見即新物理の証拠 n m Go m ixing m - e - n m n e L m DL m =0 n L e 0 1 e 0-1 DL e =0 µ e W (m n /m W ) 4 m - A e - A L m DL m =-1 L e DL e =+1 Very Small (10-52 ) 信頼できる新しい物理法則からの予言ダークマターニュートリノ振動を説明現在の上限値のすぐ下辺りで起こる可能性タウ粒子 vs m 粒子

10 clfv 探索で何が解るか? 超対称性スレプトン質量行列についての情報 m m ~ e ~ B ~ e m Dm Dm 2 ~ e ~ e 2 ~ m ~ e 2 ~ e Dm m Dm 2 ~ e ~ m 2 ~ mm ~ 2 ~ m ~ Dm Dm m 2 ~ e ~ 2 ~ m ~ 2 ~ ~ 非対角成分超対称性がどのように破れるか? GUT スケールでどういう LFV 相互作用があるか?

11 超対称大統一 Planck mass scale SUSY-GUT Yukawa interaction SUSY Seesaw Model Neutrino Yukawa interaction m 2 L ~ 21 ~ 2 3m0 A h 2 t V * td V ts M ln M CKM matrix GUT R s LFV 3m A * m ~ hi Ui 1U L ~ 21 2 i2 Neutrino oscillation ln M M GUT R s L.J.Hall,V.Kostelecky,S.Raby,1986;A.Masiero, F.Borzumati, 1986

12 m-e conversion と m eg Z Z m eg があれば m-e conv は必ずある m eg がなくても m-e conv がある場合もある Loop vs Tree LHC での探索

13 clfv 探索と LHC Masiero et al. JHEP03 (2004) 046

This Experiment clfv 探索とニュートリノ振動 g-2 ~10 Current Bound This Experiment hep-ph/0703035v2 G.

Antusch et al δ 12 LL = 10 4 and δ 23 LL = 10 2 300 GeV M~ l 600 GeV 200 GeV M 2 1000 GeV 500 GeV μ

14 This Experiment clfv 探索とニュートリノ振動 g-2 ~10 Current Bound This Experiment hep-ph/ v2 G.Isidori et al Hep-ph/ v2 S.Antusch et al δ 12 LL = 10 4 and δ 23 LL = GeV M~ l 600 GeV 200 GeV M GeV 500 GeV μ 1000 GeV 10 tan β 50 A U = 1 TeV M q = 1.5 TeV. and the GUT relations The red areas correspond to points within the funnel region which satisfy the B- physics constraints listed 0.002

15 m-e conversion と m eg つづき実験技術の観点からの比較主要バックグランド課題 m eg (m eg) m-e conversion 偶発的な事象の重なりビーム起源 ( ミューオン原子軌道中でのミューオン崩壊 ) 検出器性能分解能高計数率良質陽子ビーム偶発的な事象の重なり m-e conversionでは偶発的な事象の重なりがな n? いため m 粒子ビーム強度を上げることができ m n れば実験感度の向上が可能 e g

16 μ 粒子電子転換事象探索ミューオン原子中の 1s 状態 nucleus m - ニュートリノ放出を伴わないミューオン原子核捕獲 (=m-e conversion) m - (A,Z) e - (A,Z) muon decay in orbit m - e - nn nuclear muon capture m - (A, Z) n m (A,Z - 1) レプトンフレーバーが反応の前後で変化 B(m - N e - N) = G (m - N e - N) G(m - N nn ' )

17 μ 粒子電子転換事象の信号 E me ~ m m -B m m m : m 粒子質量 B m : 1s 状態の束縛エネルギーミューオン原子から放出される電子のエネルギーを計測 R.Kitano, M.Koike, Y.Okada P.R. D66, (2002) 統計を貯めることができれば異なる原子核をターゲットにしてモデル識別も可能

Muon clfv 探索の現状 MEGA SINDRUM II MEG Los Alamos μ eγ 探索

18 Muon clfv 探索の現状 MEGA SINDRUM II MEG Los Alamos μ eγ 探索 PSI μ-e conversion 探索 PSI μ eγ 探索パルスμビーム (28MeV/c) ( 連続 )mビーム ( 52MeV/c) 4 x 10 7 s -1 ~10 7 s -1 連続 m ビーム (28MeV/c) 3 x 10 7 s 年データ収集終了 PRD 65, 上限値 1.2x10-11 データ収集終了 EPJ C (2006) 上限値 (Au 標的 )7 x データ収集継続中 NP B834 (2010) 1-12 上限値 2.8 x 10-11

競合実験 Mu2e @ FNAL FNAL での Mu2e Experiment プロポーザル提出後予算申請段階 CD-0 Tevatron シャットダウン後反陽子 Accumulator Ring Debuncher Ring を使って陽子ビームのバンチを整形 22 batches = 1.

19 競合実験 FNAL FNAL での Mu2e Experiment プロポーザル提出後予算申請段階 CD-0 Tevatron シャットダウン後反陽子 Accumulator Ring Debuncher Ring を使って陽子ビームのバンチを整形 22 batches = s MI cycle NEUTRINO PROGRAM MUONS Booster Batches p/batch Accumulator (NuMI + Muons ) Recycler p/sec (NuMI) Debuncher (Muons ) p/1467ms = p/sec (Alternative: 24 batches=1.6s MI cycle p/s) 0.1s 1.367s C. Bhat and M. Syphers Mu2e Acc WG meeting Mar 9, 2010

20 J-PARC E21 COMET の感度でのミュー粒子電子転換事象探索実験

21 COMET 実験外観図 2008 年 J-PARC PAC プロポーザル 2009 年 J-PARC PAC ステージ -1 承認

22 m 粒子ビームに対する要請バックグラウンドビーム中間子捕獲 - +(A,Z) (A,Z-1)* g + (A,Z-1) g e + e - Prompt timing good Extinction! 飛行中の m - 崩壊電子散乱中性子実験からの要請パルス化高純度 ( 良エクスティンクション ) 大強度かつ速い繰り返し Muon Capture(MC) Muon Decay in Orbit (MDO) m - nuclei SIGNAL

23 mn エクスティンクションバックグラウンドビーム中間子捕獲 - +(A,Z) (A,Z-1)* g + (A,Z-1) g e + e - ビームに動機したタイミングでのみ現れる遅延計測遅れて到達する陽子ビームを低減高純度 ( 良エクスティンクション ) ビームの必要性 m - nuclei 0.88ms m-e conv

24 陽子ビームに対する要請前述の m 粒子ビームを実現するために必要な陽子ビーム 100nsec バンチ幅, ~1msec バンチ - バンチ間隔反陽子からのバックグラウンドを低減するためエネルギーは 8GeV 測定器に対する要請からバンチ当たりの粒子数は個以下に宇宙線バックグランドが許容出来る範囲でなるべく高い繰り返しエクスティンクションパルス間に残存する陽子数の割合が 10-9 以下 1.17ms (584ns x 2) 100ns 0.7 second beam spill 1.5 second accelerator cycle N bg = NP x R ext x R -stop/p x A x P RPC x P g-e x A NP : total # of protons (~10 21 ) R ext : Extinction Ratio (10-9 ) R -stop/p : stop yield per proton (3.5 x 10-7 ) R RPC : Probability of g from (0.2) P g-e : Probability of e from g A : detector acceptance 1.4x10-5 BR=10-16, N bg < 0.1 Extinction < 10-9

25 COMET 実験のための陽子加速 RCS: h=2 バケツ 1 つは空に MR:h=8(9) バケツ 4(3) つは空にバンチ構造を保ったまま遅い取り出し取り出し中の RF 空洞を ON に反陽子バックグランドを低減するため 8GeV で取り出し 1.6 x ppb, 7mA, 56kW Linac チョッパーを使って RCS での空バケツを実現

26 中間子生成ターゲット低エネルギー中間子低エネルギー m 粒子を停止させるため後方に放出されたものを集める中間子の収量はビームパワーに比例ターゲット物質候補重金属タングステン金冷却が必要グラファイトヘリウムガス冷却コイル上の入熱線量を評価 Mars and PHITS

27 m 粒子ビーム輸送中間子崩壊で生じた幅広い運動量の m 粒子を輸送する高運動量の m 粒子をブロック Guide s until decay to m s Suppress high-p particles m s : pm < 75 MeV/c e s : pe < 100 MeV/c Beam Blocker See Classical Electrodynamics, J.D.Jackson Ch.12-Sec.4 Beam collimator

28 COMET 検出器 ~100MeV 電子の同定と計測ソレノイド磁場中を m 粒子輸送飛来した m 粒子をターゲット中で停止低運動量粒子を排除し信号電子を高効率で検出器パートへ輸送

29 弯曲ソレノイドスペクトロメータ 60-MeV/c DIO electrons m 停止ターゲットアルミニウム : m - = 0.88 ms 薄いディスクの積み重ね 66% の m を停止歪曲ソレノイドスペクトロメータ低運動量粒子を効率良く排除 rejection ~10-6 : < 10kHz 信号電子に大しては高い検出効率を維持 :20% 電子検出器飛跡検出器結晶カロリメータ 105-MeV/c m-e electron

30 実験ホールレイアウト ( 案 ) ミューオンタスクフォース JPNC での議論ターゲットとダンプはホールの外へ上流部を高運動量陽子ビームラインと共有エクスティンクション向上のための装置をスイッチヤードに配置

実験感度データ収集時間 2x10 7 sec 一事象に対する感度 (Single event

total protons muon yield per proton muon stopping

31 実験感度データ収集時間 2x10 7 sec 一事象に対する感度 (Single event sensitivity) Nm :m 粒子停止標的に止まるm 粒子の数 2.0x10 18 fcap : 原子核による, m 粒子捕獲の確立 0.6( アルミニウム ) Ae : 検出器アクセプタンス total protons muon yield per proton muon stopping efficiency 8.5x # of stopped muons 2.0x10 18 Single event sensitivity 90% C.L. upper limit 2.6 x x 10-17

024 For high E n Delayed-Pion Radiative Capture 0.002 Anti-proton Induced 0.007 For 8 GeV p Muon Decay in Orbit 0.

32 バックグラウンド事象評価 2x10 7 sec Background Events Comments Radiative Pion Capture 0.05 Beam Electrons <0.1 MC stat limited Muon Decay in Flight < Pion Decay in Flight < Neutron Induced For high E n Delayed-Pion Radiative Capture Anti-proton Induced For 8 GeV p Muon Decay in Orbit 0.15 Radiative Muon Capture <0.001 Muon Capture with n Emission <0.001 Muon Capture with Charged Part. Emission <0.001 Cosmic-Ray Muons Electrons from Cosmic-Ray Muons Total 0.34 ビームエクスティンクションとして < 10-9 を仮定

33 共同実験者

34 建設コスト総額 75 億円国際協力でコラボレータからの貢献を最大限引き出す研究所ワークショップの活用他国での予算獲得に協力経費 ( 億円 ) 陽子ビームラインビームラインマグネットビームダンプ放射線シールド超伝導ソレノイド電磁石一式 35.7 検出器インフラ建設経費電子飛跡検出器カロリメータ宇宙線シールドデータ収集システム冷凍機中間子生成システム W シールド実験エリア建設 3 総額

35 R&D の現状陽子ビーム Extinction 計測手法の開発 MR アボートライン計測アップグレード準備中超伝導ソレノイド超電導線プロトタイプの試作線材試作アルミ材試験カーブドソレノイド試作二次ビームを使った計測 2010 年度実施準備中 Extinction 向上装置の開発概念設計

ステーションエレクトロニクス真空中に配置真空外には光ファイバーで電子カロリメータ

36 R&D の現状電子飛跡検出器プロトタイプ試験中要請厚み : 0.01 放射長以下空間分解能 : < 0.5 mm ヒット数 ~ 1 / プレーン / 事象ストローチューブ 5mm, 208 チューブ / サブレイヤー構成 4 レイヤー 1 ステーション 48 cm 間隔で 5 ステーションエレクトロニクス真空中に配置真空外には光ファイバーで電子カロリメータプロトタイプによる結晶評価光読み出し装置試験中要請トリガー情報を供給エネルギー計測電子計測をより確実に E/p 情報で宇宙線を識別位置計測トラッキング性能の向上

スケジュール 2009 2010 2011 2012 2013 2014 2015 2016 2017 CDR TDR

37 スケジュール CDR TDR 建設予算陽子ビームスタディーエクスティンクション陽子ビームライン捕獲ソレノイド磁石 m 輸送ソレノイド磁石検出器

38 COMET 実現のために 1. m-e conv 実験に最適な時間構造の陽子ビームを供給できる加速器 2. 目指すべき実験感度に到達するための十分なビーム純度 ( エクスティンクション ) 3. 大強度パルスミュー粒子を生成するためのターゲット捕獲ソレノイド

39 まとめ 2016 年開始を目標として J-PARC で m 粒子電子転換事象探索実験を実施したい J-PARC での clfv 探索実験により新しい物理法則についての知見を得る COMET 実験 KEKがホストとなる新たな国際協力実験 R&Dが進行中実現に向けてさらなるサポートを

Μ粒子電子転換事象探索実験による世界最高感度での荷電LFV探索第3回機構シンポジューム 2009年5月11日素粒子原子核研究所　三原　智

Μ粒子電子転換事象探索実験による世界最高感度での荷電LFV探索第3回機構シンポジューム 2009年5月11日素粒子原子核研究所　三原　智 µ COMET LFV esys clfv (Charged Lepton Flavor Violation) J-PARC µ COMET ( ) ( ) ( ) ( ) B ( ) B ( ) B ( ) B ( ) B ( ) B ( ) B 2016 J- PARC µ KEK 3 3 3 3 3 3 3 3 3 3 3 clfv clfv clfv clfv clfv clfv clfv

Μ粒子電子転換事象探索実験による世界最高感度での 荷電LFV探索 第3回機構シンポジューム 2009年5月11日 素粒子原子核研究所 三原 智

Μ粒子電子転換事象探索実験による世界最高感度での荷電LFV探索第3回機構シンポジューム 2009年5月11日素粒子原子核研究所　三原　智