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}

2010年5月11日

素粒子原子核研究所 三原 智

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

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

• 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

超対称大統一理論

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）

cLFV探索の歴史

• 新しい加速器

• 新しい検出器

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

• 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

m

-

 e

-

n

m

n

e

m

-

_{A e}

-

_A

L_m 1 0 1 0 DL_m=0 L_m 1 0 0 0 DL_m=-1 L_e 0 1 0 -1 DL_e=0 L_e 0 0 1 0 DL_e=+1

Go

Very Small (10

-52

)

µ

e

m ix in g

n

_m

_n

e W



(m

_n

/m

_W

)

4

cLFV探索で何が解るか？





















D

D

D

D

D

D

2

~

~

2

~

~

2

~

~

2

~

~

2

~

~

2

~

~

2

~

~

2

~

~

2

~

~





m







m

m

m

m



m

m

m

m

m

m

m

m

m

m

e

e

e

e

e

e

• 超対称性スレプトン質量行列についての情報

• 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？

m

~

e~

B

~

m

e

超対称大統一、シーソー理論へ

LFV

@ Planck mass scale

SUSY-GUT

Yukawa interaction

SUSY Seesaw Model

Neutrino Yukawa interaction

CKM matrix Neutrino oscillation

L.J.Hall,V.Kostelecky,S.Raby,1986;A.Masiero, F.Borzumati, 1986

 

s R GUT i i i

M

M

U

U

h

A

m

ln

8

3

~

m

₂ 2 *_{1 2} 2 0 2 0 21 2 L ~





 

s R GUT ts td t

M

M

V

V

h

A

m

ln

8

3

~

m

₂ 2 * 2 0 2 0 21 2 L~





m

_{-e conversionと}

m

_e

g

•

m

e

g

があれば

m

_{-e convは必ずある。}

•

m

e

g

がなくても

m

_{-e convがある場合もある。}

• Loop vs Tree

• LHCでの探索

Z’

Z’

cLFV探索とLHC

cLFV探索とニュートリノ振動、g-2

T h is E x p eri m en t Hep-ph/0607263v2 S.Antusch et al |δ12 LL| = 10−4 and |δ23LL| = 10−2 300 GeV ≤ M~_ℓ ≤ 600 GeV 200 GeV ≤ M₂ ≤ 1000 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

hep-ph/0703035v2 G.Isidori et al

This Experiment

0.002

Current Bound

m

_{-e conversionと}

m

_e

g

つづき

主要バックグランド

課題

m

e

g

（

m

e

g

）

偶発的な事象の重なり

検出器性能

分解能、高計数率

m

-e conversion

ビーム起源

（ミューオン原子軌道中

でのミューオン崩壊）

良質陽子ビーム

• 実験技術の観点からの比較

•

m

-e conversionでは偶発的な事象の重なりがな

いため、

m

粒子ビーム強度を上げることができ

れば実験感度の向上が可能。

m

g

e

?

n

n

偶発的な事象の重なり

μ粒子電子転換事象探索

ミューオン原子中の

_1s

状態

_{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

- e

-

nn

nucleus

m

-m

-

_

( A, Z) 

n

m



( A,Z

-

1)

B(

m

-N



e

-

N)

=

G

(

m

-N



e

-

N)

G

₍

m

-N



n

N

'

)

m

-

_

_{(A, Z)}

_

_e

-

_

_(A,Z)

nuclear muon capture

μ粒子電子転換事象の信号

• E

_m

_e

~ 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

• 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

R.Kitano, M.Koike, Y.Okada P.R. D66, 096002(2002)

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)}

4 x 10

7

_s

-1

(連続)

m

ビーム

_{( 52MeV/c)}

~10

7

_s

-1

連続

m

ビーム（

_28MeV/c）

3 x 10

7

_s

-1

1995年データ収集終了

PRD 65, 112002

上限値

_1.2ｘ10

-11

データ収集終了

EPJ C47 337-346 (2006)

上限値

_{(Au標的)7 x 10}

-13

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}

22 batches = 1. 467s MI cycle Booster Batches Accumulator Recycler Debuncher 4.61012 _p/batch 44.61012 _{p/1467ms = 12.5} ₁₀12 _p/sec 56 1012 _p/sec 0.1s 1.367s

NEUTRINO PROGRAM MUONS

(NuMI + Muons )

(NuMI)

(Muons )

(Alternative: 24 batches=1.6s MI cycle  11.5 1012 _p/s)

• 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

COMET

10

-16

_{の感度でのミュー粒子電子転換事象探索実験}

COMET実験外観図

２００８年

_{J-PARC PAC プロポーザル}

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

nuclei

m

-Muon Capture(MC)

Muon Decay in Orbit (MDO)

SIGNAL

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





mn

nuclei

m

-0.88

m

s

m

-e conv

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, ~1

m

sec 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10

11

_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)

0.7 second beam spill

1.5 second accelerator cycle 100ns

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 (~1021₎

R_ext: Extinction Ratio (10-9₎

R_-stop/P: –stop yield per proton (3.5 x 10-7₎ R_RPC: Probability of gfrom (0.2) P_g-e: Probability of e from g A : detector acceptance

BR=10

-16

, N

_bg

< 0.1 

Extinction < 10

-9

1.4x10-5

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 10

13

_{ppb, 7}

m

_{A, 56kW}

Linacチョッパーを使って RCSでの空バケツを実現



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

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 collimator

Beam Blocker

See “Classical Electrodynamics”, J.D.Jackson Ch.12-Sec.4

COMET検出器

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

~100MeV電子の

同定と計測

ソレノイド磁場中

を

m

粒子輸送

弯曲ソレノイドスペクトロメータ

•

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

60-MeV/c DIO electrons

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

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 2.0x1018

• 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 0.031.

total protons

muon yield per proton muon stopping efficiency

8.5x1020

0.0035 0.66 # of stopped muons 2.0x1018

Single event sensitivity

2.6 x 10

-17

90% C.L. upper limit

6.0 x 10

-17

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 <0.0002

Pion Decay in Flight <0.0001

Neutron Induced 0.024 For high E n Delayed-Pion Radiative Capture 0.002

Anti-proton Induced 0.007 For 8 GeV p Muon Decay in Orbit 0.15

Radiative Muon Capture <0.001 Muon Capture with n Emission <0.001 Muon Capture with Charged Part. Emission <0.001 Cosmic-Ray Muons 0.002 Electrons from Cosmic-Ray Muons 0.002

Total 0.34

ビーム

エクスティンク

ションとして

< 10

-9

を仮定

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 17 2 3 超伝導ソレノイド電磁石一式 35.7 検出器 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 4.4 3 0.5 インフラ 冷凍機 中間子生成システム、_{Wシールド} 4.7 2.3 建設経費 実験エリア建設 3 総額 75

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 • 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

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

• 概念設計

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 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

建設予算

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

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