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クォークと電子・ニュートリノも統一素粒子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 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 Go -n n m-e(m m e 4 n/mW) Lmm ixing 1 nm Le 0 • 発見即新物理の証拠 µ W Very 0 1 0 DLm=0 n1e 0 -1 DL =0 e m- A e- Ae Lm 1 0 0 0 DLm=-1 Le 0 0(10-52 1 )0 DLe=+1 Small • 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 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~e2~e  2  Dmm~~e  Dm 2  ~~e Dm~e2m~ 2 m~m~ m Dm 2 ~m~ Dm~e2~   2 Dmm~~  2  m~~  • 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？超対称大統一、シーソー理論へ @ Planck mass scale SUSY-GUT SUSY Seesaw Model Neutrino Yukawa interaction Yukawa interaction m  2 ~ L 21 3m02  A02 2 * M GUT ~ h V V ln t td ts 8 2 M Rs CKM matrix m  2 ~ L 21 LFV 3m02  A02 2 * M GUT ~ h U U ln i i1 i 2 8 2 M Rs Neutrino oscillation L.J.Hall,V.Kostelecky,S.Raby,1986;A.Masiero, F.Borzumati, 1986 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 cLFV探索とLHC Masiero et al. JHEP03 (2004) 046 cLFV探索とニュートリノ振動、g-2 ~10 This Experiment hep-ph/0703035v2 G.Isidori et al Current Bound This Experiment 0.002 Hep-ph/0607263v2 S.Antusch et al |δ12LL| = 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 AU = −1 TeV M˜q = 1.5 TeV. and the GUT relations The red areas correspond to points within the funnel region which satisfy the Bphysics constraints listed 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）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）良質陽子ビーム偶発的な事象の重なり g • 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 μ粒子電子転換事象探索ミューオン原子中の1s状態 nucleus mmuon decay in orbit m -  e -n n nuclear muon capture m -  ( A, Z)  n m  ( A, Z - 1) 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) レプトンフレーバーが反応の前後で変化 G(m - N  e- N) B( m N  e N) = G(m - N  nN ' ) - - μ粒子電子転換事象の信号 • Eme ~ mm-Bm • mm: m粒子質量 • Bm: 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, 096002(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 PSI μ-e conversion探索 PSI μ→eγ探索パルスμビーム (28MeV/c) 4 x 107 s-1 (連続)mビーム ( 52MeV/c) ~107 s-1 連続mビーム（28MeV/c） 3 x 107 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 • 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. 467s MI cycle Booster Batches NEUTRINO PROGRAM MUONS 4.61012 p/batch Accumulator (NuMI +Muons) Recycler 56 1012 p/sec (NuMI) Debuncher (Muons) 44.61012 p/1467ms = 12.51012 p/sec (Alternative: 24 batches=1.6s MI cycle 0.1s  11.5 1012 p/s) 1.367s C. Bhat and M. Syphers Mu2e Acc WG meeting Mar 9, 2010 J-PARC E21 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２００９年 J-PARC PAC ステージ-1 承認 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) m- nuclei 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 0.88ms m- nuclei 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, ~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1011 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) Nbg = NP x Rext x R-stop/P x A x PRPC x Pg-e x A NP : total # of protons (~1021) Rext : Extinction Ratio (10-9) R-stop/P : –stop yield per proton (3.5 x 10-7) RRPC : Probability of g from  (0.2) Pg-e : Probability of e from g 1.4x10-5 A : detector acceptance 100ns 0.7 second beam spill 1.5 second accelerator cycle BR=10-16, Nbg < 0.1  Extinction < 10-9 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, 7mA, 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 • 重金属 • グラファイト 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 • タングステン、金 • 冷却が必要 • 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 Blocker Beam collimator See “Classical Electrodynamics”, J.D.Jackson Ch.12-Sec.4 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弯曲ソレノイドスペクトロメータ 60-MeV/c DIO electrons • • • 105-MeV/c m-e electron m停止ターゲット • • アルミニウム: m- = 0.88 ms 66％のmを停止薄いディスクの積み重ね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 2x107 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 • fcap ：原子核による, m粒子捕獲の確立 • Ae ：検出器アクセプタンス 2.0x1018 0.6（アルミニウム） 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 2x107 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 を仮定共同実験者建設コスト • 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 17 2 3 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 冷凍機 中間子生成システム、Wシールド 4.7 2.3 インフラ建設経費実験エリア建設総額 3 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 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 CDR 2012 2013 2014 建設予算 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 2015 2016 2017 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 Muon Stopping Target • Light material for delayed measurement (1st choice) • Aluminum : m- = 0.88 ms • R = 100 mm, 200mmt, 17 disks, 50 mm spacing • • Muon rate 1.5x1011/sec stopped-muon yields:~0.0023 m’s/proton • Thin disks to minimize electron energy loss in the target • Graded B field for a good transmission in the downstream curved section. • Good m-Stopping efficiency: e=0.66 Electron Detectors • • Rate < 800 kHz Straw-tube tracker to measure electron momentum • 5 Planes with 48cm distance, sp = 230 keV/c • • • • • One plane has 2 views (x and y) with 2 layers per view. A straw tube has 25mm thick, 5 mm diameter. should work in vacuum and under a magnetic field. <500mm position resolution. Crystal calorimeter for Trigger • GSO, PWO, or LYSO Tracking Detector • Main detector to measure Ee • • • • Straw tube tracker • • • • • • Thickness should be about 0.01 radiation-length to suppress % backgrounds. Spatial resolution < 0.5 mm Hit multiplicity ~ 1 per plane per event 5mm&, 208 tubes per sub-layer four layers per station anode readout (X, X’, Y, Y’) five stations, 48 cm apart Amps and Digitizers (DRS) are in vacuum Optical-link to the outside of the vacuum vessel Trigger Calorimeter • Trigger Source • • Energy measurement • • • • Better trigger condition Redundancy to Ee measurement E/p cut to cosmic muons Position measurement • • • Timing for Tracker Improve track recognition. f = 92 kHz per crystal Possible Photon Detectors (operational in vacuum and magnet) • • APD MPPC