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

(1)

µ粒子電子転換事象探索実COMET

による世界最高感度での

荷電

_LFV探索

esys グループミーティング

素粒子原子核研究所三原智

(2)

はじめに

(5)

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

(6)

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

(7)

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

(8)

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

(9)

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

(10)

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

(11)

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

(12)

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

(13)

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

(14)

• 2016年開始を目標として、J-PARCでµ粒子電子転換事象探

索実験を実施したい

(15)

超対称大統一理論

(16)

(17)

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

(18)

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

(19)

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）

(20)

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）

(21)

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）

(22)

(23)

(24)

cLFV探索の歴史

(25)

cLFV探索の歴史

(26)

cLFV探索の歴史

(27)

cLFV探索の歴史

• 新しい加速器

(28)

cLFV探索の歴史

• 新しい加速器

(29)

cLFV探索の歴史

• 新しい加速器

(30)

cLFV探索の歴史

• 新しい加速器

• 新しい検出器

(31)

µ

-

 e

-

ν

_µ

ν

_e

µ

-

A e

-

A

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

• ”未発見”の重要性

• 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 µ粒子}

L_µ 1 0 1 0 ΔL_µ=0 L_µ 1 0 0 0 ΔL_µ=-1 L_e 0 1 0 −1 ΔL_e=0 L_e 0 0 1 0 ΔL_e=+1

Go

(32)

µ

-

 e

-

ν

_µ

ν

_e

µ

-

A e

-

A

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

• ”未発見”の重要性

• 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 µ粒子}

L_µ 1 0 1 0 ΔL_µ=0 L_µ 1 0 0 0 ΔL_µ=-1 L_e 0 1 0 −1 ΔL_e=0 L_e 0 0 1 0 ΔL_e=+1

Go

Very Small (10

-52

₎

µ

e

m ixin g

ν

_µ

_ν

e W

∝ (m

_ν

/m

_W

)

4

(33)

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

• 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？

(34)

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

(35)

cLFV探索とLHC

Masiero et al. JHEP03

(2004) 046

(36)

超対称大統一理論

_{LHC実験とcLVF実験}

• LHC+cLFV双方で発見：

超対称大統一理論の勝利

• LHC  超対称のスケール、質量スペクトル • cLFV  大統一のスケール

• LHC発見、cLFV発見せず：

• 標準的な超対称大統一は困難

• LHC発見せず、cLFV発見：

• シーソー理論＋_TeV領域に超対称性以外の新物理 • LHCへのヒント

• LHC+cLFVどちらも発見せず：

超対称大統一理論の完敗

• LHC upgrade, • ILCへ

(37)

cLFV探索とニュートリノ振動、g-2

This Experiment

(38)

cLFV探索とニュートリノ振動、g-2

This Experiment 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

(39)

cLFV探索とニュートリノ振動、g-2

This Experiment 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

(40)

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}

_RUNNING!

パルス

_{µビーム (28MeV/c)}

4 x 10

7

_s

-1

(連続)µビーム ( 52MeV/c)

~10

7

_s

-1

連続µ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

(41)

(42)

µ→eγとµ-e conversion

(43)

µ→eγとµ-e conversion

• µeγがあればµ-e convは必ずある。

• µeγがなくてもµ-e convがある場合もある。

• Loop vs Tree • LHCでの探索

(44)

µ→eγとµ-e conversion

• µeγがあればµ-e convは必ずある。

• µeγがなくてもµ-e convがある場合もある。

(45)

µ→eγとµ-e conversion

• µeγがあればµ-e convは必ずある。

• µeγがなくてもµ-e convがある場合もある。

Z’

(46)

µ-e conversionとµeγつづき

主要バックグランド

課題

µeγ

（µeγ）

偶発的な事象の重なり

検出器性能

分解能、高計数率

µ-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

(47)

µ-e conversionとµeγつづき

µ

γ

e

?

ν

偶発的な事象の重なり

主要バックグランド

課題

µeγ

（µeγ）

偶発的な事象の重なり

検出器性能

分解能、高計数率

µ-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

(48)

µ-e conversionとµeγつづき

• 実験技術の観点からの比較

• µ-e conversionでは偶発的

な事象の重なりがないた

め、µ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。

主要バックグランド

課題

µeγ

（µeγ）

偶発的な事象の重なり

検出器性能

分解能、高計数率

µ-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

(49)

µ粒子電子転換事象探索

ミューオン原子中の1s状態

Neutrino-less muon

nuclear capture

(=µ-e conversion)

µ

−

_{ e}

−

ν ν

µ

−

_{+ ( A, Z)  ν}

µ

+ ( A, Z − 1)

B(µ

-

_N

_e

-

_{N) =}

Γ(µ

-

_N

_e

_-

_{N )}

Γ(µ

-

_N

ν N

'

)

µ

-

+ (A, Z)

e

-

+ (A,Z)

nuclear muon capture

muon

decay in orbit

レプトンフレーバーが

_{反応の前後で変化}

nucleus

µ−



  

(50)

µ粒子電子転換事象の信号

• E

_µe

~ m

_µ

-B

_µ

• m

_µ

: µ粒子質量

• B

_µ

: 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)

(51)

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

C. Bhat and M. Syphers Mu2e Acc WG meeting Mar 9, 2010

(52)

COMET

10

-16

_{の感度でのミュー粒子電子転換事象探索実験}

(53)

COMET実験外観図

• J-PARC陽子ビーム

• pπµ • 8GeV, ~7µA 56kW

• µ粒子ビーム

• 陽子ビームターゲット • π中間子捕獲 • µ粒子輸送

• 検出器

• µ粒子静止ターゲット • 電子輸送_{/運動量判別} • 電子計測

２００８年

_{J-PARC PAC プロポーザル}

２００９年

_{J-PARC PAC ステージ-1 承認}

(54)

エクスティンクション

• バックグラウンド

• ビームπ中間子捕獲

• π-_{+(A,Z)  (A,Z-1)*  γ + (A,Z-1)}

γ  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

(55)

エクスティンクション

• バックグラウンド

• π-_{+(A,Z)  (A,Z-1)*  γ + (A,Z-1)}

γ  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

πµν

nuclei

µ

−

0.88µs

µ-e conv

(56)

エクスティンクション

• バックグラウンド

• π-_{+(A,Z)  (A,Z-1)*  γ + (A,Z-1)}

γ  e+_e

• 遅れて到達する陽子ビームを低減

(57)

エクスティンクション

• バックグラウンド

• π-_{+(A,Z)  (A,Z-1)*  γ + (A,Z-1)}

γ  e+_e

• 遅れて到達する陽子ビームを低減

(58)

陽子ビームに対する要請

• 前述のµ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, ~1µsec 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

• パルス間陽子数の割合が

₁₀

-9

_以下

1.17µs (584ns x 2)

0.7 second beam spill

1.5 second accelerator cycle 100ns

N_bg = NP x R_extx R_π-stop/P x A_π x P_RPCx P_γ-e x A

NP : total # of protons (~1021₎

R_ext : Extinction Ratio (10-9₎

R_π-stop/P : π–stop yield per proton (3.5 x 10-7₎

R_RPC : Probability of γ from π (0.2) P_γ-e : Probability of e from γ

A : detector acceptance

BR=10

-16

_{, N}

bg

~ 0.1 

Extinction < 10

-9

(59)

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 1013_{ppb, 7µA, 56kW} Linacチョッパーを使って RCSでの空バケツを実現

(60)

COMET実験のための陽子加速

(61)

COMET実験のための陽子加速

通常の遅い取り出し

(62)

π中間子生成ターゲット

•

低エネルギーπ中間子 • 低エネルギーµ粒子を停止させるため • 後方に放出されたものを集める

•

π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

(63)

µ粒子ビーム輸送

• π中間子崩壊で生じた幅広い運動量のµ粒子を輸送する

• 高運動量のµ粒子をブロック

Guide π’s until decay to µ’s

Suppress high-p particles

•

µ’s : pµ < 75 MeV/c

•

e’s : pe < 100 MeV/c

Beam collimator

Beam Blocker

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

(64)

µ粒子ビーム輸送

• π中間子崩壊で生じた幅広い運動量のµ粒子を輸送する

• 高運動量のµ粒子をブロック

Guide π’s until decay to µ’s

Suppress high-p particles

•

µ’s : pµ < 75 MeV/c

•

e’s : pe < 100 MeV/c

Beam collimator

Beam Blocker

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

(65)

COMET検出器

飛来したµ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

µ粒子輸送

(66)

弯曲ソレノイドスペクトロメータ

• µ停止ターゲット • アルミニウム_{: τ}_µ-_{= 0.88 µs 薄いディスクの積み重ね} • 66％のµ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

(67)

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

(68)

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）

• Nµ ：µ粒子停止標的に止まるµ粒子の数 2.0x1018

• fcap ：原子核による, µ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

(69)

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

(70)

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

(71)

(72)

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 π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

(73)

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 π捕獲ソレノイド磁石 µ輸送ソレノイド磁石検出器

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COMET

による世界最高感度での

荷電

LFV探索

esys グループミーティング

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

はじめに

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

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

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

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

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

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

はじめに

•

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

_LFV探索

素粒子原子核研究所三原智

_(ヒント)

_(ヒント)

_(ヒント)

_−２

_(ヒント)

_−２

_(ヒント)

_−２

_(ヒント)

_−２

_(ヒント)

_−２

_(ヒント)

_−２

_(ヒント)

_−２

_{3世代の間の遷移}

_{3世代の間の遷移}

_{3世代の間の遷移}