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PRISM と m-lepton flavor violation 青木正治 大阪大学 国際高等研究所「物質の起源研究会」 平成１４年１月１６ー１８日 もくじ イントロダクション me MEG (PSI) m e-A 変換 MECO (BNL) PRISM PRISM概要 PRISMと m e-A 変換, PRIME まとめ 平成14年1月16-18日 青木正治、「物質の起源研究会」 2 m-lepton flavor violation m稀崩壊 |DLi | =1 me meee m 換 ± 変 |DLi | =2 me- m 変換 m m 変換 平成14年1月16-18日 中間子稀崩壊 |DLi | =1 KL → me K+ → p+m+eB → me |DLi | =2 K+ → p-m+m+ 青木正治、「物質の起源研究会」 3 LFV 探索の現状 R e ac ti on 90 % C L Uppe r L imit B( m e ) B( m e e e ) 1.2 10 11 1.0 10 12 6.1 10 13 4.6 10 11 1.7 10 12 8.3 10 11 2.7 10 6 B ( m Ti e Ti ) B ( m Pb e Pb ) B ( m Ti e Ca ) P( m e m e ) B( e ) B( m ) 1.1 10 6 B( mmm ) 1.9 10 6 B ( eee ) B( KL me ) 2.9 10 12 4.7 10 6 2.1 10 10 B( KL p m e ) 6.2 10 9 B( D me ) 8.1 10 6 B ( D e ) 0 B ( D m e ) B ( B me ) 5.3 10 4 3.4 10 5 3.5 10 6 B( B Kme) B ( Z m e) 1.8 10 5 1.7 10 6 B ( Z e ) B ( Z m ) 9.8 10 5 1.2 10 B( K p m e ) 0 ミュオンが大 変健闘して いる 0 0 •質量が比較的小さい為、 大量に生成可能 •統計を上げやすい •寿命が比較的長い •実験しやすい 6 B ased o n a ta bl e w ritten b y Y . K un o U pd at e d in A ug ust, 2 00 0 平成14年1月16-18日 青木正治、「物質の起源研究会」 4 m-LFV 探索の歴史 m e Since 1948 E.P. Hincks and B. Pontecorvo, PR 73 (1948) 257 m稀崩壊の歴史 m eee mA eA KL me 0 K pm e = m-LFV探索の歴史 10年毎に2桁!! After Yoshitaka Kuno 平成14年1月16-18日 青木正治、「物質の起源研究会」 5 LFV と SUSY-GUT L F V diagr am in S U SY -G U T larg e top Y u k aw a cou plin g SUSY-GUT |DLi | =1 slepton mixing 現在の実験精度 からわずか数桁下 m ixing µ÷ e÷ µ e ~ B÷ L F V d ia gr am in S ta n dard M o de l m ix ing in m a ss iv e ne utrinos Standard Model + (m / m W ) Neutrino Mass Neutrino mixing Very small m m ixing µ 10 4 26 e e W 平成14年1月16-18日 青木正治、「物質の起源研究会」 6 me探索 平成14年1月16-18日 青木正治、「物質の起源研究会」 7 m → e とmA → e-A µ e µ e SU (5 ) : m e SU (5 ) : (m e ) (m e ) 4 5 2 mm 2 m 5m˜ m m | F2 | 4 | F2 | 4 4 2 m m˜ * F2 ( Dm ) m e V 31V32 I( y t ) h(t-h Dm V L F V m ix in g F in2 rig a n d)ed to n s31V32 m e slep 2 * I( y t ) 2 SO (1 0 ) : L F V m ix in g in rig h t-h a n d edslep m ton s 2 ( m e ) SU ( 5 ) ( m e ) SO ( 10 ) m m m SO (1 0 ) : ( m e ) SO ( 10 ) ( m e ) SU ( 5 ) m L F V m ix in g in rig h t-h a n d ed a nmdleft-h a n d ed slepto n s µ e coL FnVv.m ix in g in rig h t-h a n d ed a n d left-h a n d ed slepto n s µ 4 5 2 e co nv. ( m e ) 16 Z | F3 (q ) | ( m e ) m e conv. ( m e ) 16 Z | F3 (q ) | ( m foerp)h o ton ic B( m e ) 1 200 B( m e ) 4 5 2 B( ic ed ia ) gram 1 d200 atesB( m e ) p h omton o m in m µ µ d ia g ra m s fo r p h o ton ic d ia g ra m s B( m ) 10 B( m e ) p h o ton ic d ia g ram d o m 4in a tes B( ar ) all, A10 ) 5 (1 995)219 R. B bie ri,mL. H .S tru m iaB( , N um cl. P h ys.e B 44 4 J.His an o,T .M oroi,K .T o b e,M .Y a m a gu ch i, P hys . L ett. B 39 1 (199 7) 3 41 R . B ar bie ri, L . H all, A .S tru m ia , N u cl. P h ys. B 445 (1 995)2 19 平成14年1月16-18日 J.His an o,T .M oroi,K .T o b e,M .Y a m a g u ch i, P hys . L ett. B 3 9 1 (1 99 7 ) 3 41 青木正治、「物質の起源研究会」 8 Signal と Background 信号の特徴 Ee=mm/2, E=mm/2 (=52.8 MeV) e=180back-to-back) 同時計測 バックグランド ビームバックグランド radiative muon decay me ニュートリのエネルギーが小さい場合 アクシデンタルバックグランド e+ in me in me in e+e- annihilation in flight 平成14年1月16-18日 青木正治、「物質の起源研究会」 9 me/MEG 目標感度 : 10-14 ソレノイド電磁石 e+ Constant Bending Radius 液体 Xenon カロリメータ high light yield PMTs surrounded (mini- (COBRA) spectrometer a solenoid field with Kamiokande type) gradient to keep 52.8 MeV Duty factor = 100% e+ following a constant radius. start in 2004 ? 平成14年1月16-18日 青木正治、「物質の起源研究会」 10 バックグランド Rm Accidental Background Pl ace Yea r DEe DE D t e D e S IN T R IUM F L ANL C rys ta l Box 1977 1977 1979 1986 8 .7% 10 % 8 .8% 8% 9 .3% 8 .7% 8% 8% 1.4 6.7 1.9 1.8 ns ns ns ns M E GA m e/M E G 1999 2004? 1 .2% 0 .7% 4 .5% 1 .4% 1.6 ns 0.15 ns 2 D E e DE Rm Uppe r L imit 37 mr ad 87 mr ad 51 21 2 .4 1 41 17 mr ad 12 mr ad 2 .5 1 1 < < < < 1.0 1 3.6 1 1 1.7 1 11 4.9 1 < 1.2 1 1 < 1 11 2 Dt e D e 2 R e fe renc e s A . Van de r S chaa f, et al., N P A340 (1980)249 P. Depo mmi er et a l., P R L 39 (1977) 1113 W.W. K inn ison et al., P R D25 (1982)2846 R .D. Bo lt on , et a l., P R D38 (1988)2077 M .L . B rooks , et a l., P R L 83 (1999)1521 T. Mo ri, et a l., R e sea rch P ropo sal to PS I (1999) After Y. Kuno and Y. Okada Bme =11 Nb = 0.5 events Bme =11 •Rm = 1010 m/s •Nb ~ 平成14年1月16-18日 104 events? 青木正治、「物質の起源研究会」 B( m Ti e Ti ) B ( m e ) 1 230 11 me-A 変換 平成14年1月16-18日 青木正治、「物質の起源研究会」 12 m e A 変換 muonic atom (1s state) 原子核 muon decay in orbit nuclear muon capture m ( A, Z ) m ( A, Z 1) neutrinoless muon nuclear capture m m e (= me-A 変換) m ( A, Z ) e ( A, Z ) |DLi | =1 コヒーレント process B( m N e N ) = 平成14年1月16-18日 (m N e N ) (m N N ) ' 青木正治、「物質の起源研究会」 13 Signal と Background 信号の特徴 (Z5) m ( A, Z ) e ( A, Z ) 単色電子の放出 Emax = (mm-Bm) MeV バックグランド アクシデンタルバックグランド無し muon decay in orbit (Emax - Ee)5) エンドポイントエネルギーは信号と同じ radiative muon capture with photon conversion 標的の選定により低減可能 m ( A, Z ) m ( A, Z 1) pion capture with photon conversion ビームからのパイオンの徹底的な排除 cosmic ray 平成14年1月16-18日 青木正治、「物質の起源研究会」 14 MECO at BNL-AGS E940 aim at B(m Ale Al -16 at BNL AGS MECO 5x1011m-/spill, 1.1MHz pulse 8GeV proton beam at AGS high field capture solenoid of 4T schedule : 2006 start ??? 平成14年1月16-18日 青木正治、「物質の起源研究会」 15 m-LFV の現状（まとめ） 現在までの主な実験,準備中の実験 Cu rr en t limi ts m N e N 6.1 10 m e m e e e Mu Mu 13 1.2 10 11 1.0 10 12 8.3 10 11 Nea r future 14 10 16 10 14 10 none P R IS M 1) 10 18 10 15 10 15 10 13 2) 3) 1) PSI experiment (解析中) 2) BNL-E940 (MECO) experiment (2004) 3) PSI experiment (2003) これからの方向 さらなるミュオン強度の向上 バックグランドの低減 平成14年1月16-18日 青木正治、「物質の起源研究会」 16 m-LFV の進むべき方向 m→ e-A 変換へのフォーカス 事象の選別が簡単 Michel崩壊からのバックグランドが無い ⇔ m e e e アクシデンタルバックグランドが無い ⇔ me 大強度陽子加速器へのコミット ミュオンの収量はビーム強度に比例する。 大立体角ビームラインによる大強度ミュオンビーム 高品質なミュオンビームの実現 高い純度 パイオン起源のバックグランドの低減 低いミュオン運動量 <70 MeV/c 散乱バックグランドの低減 細いミュオン運動量幅 薄いミュオン静止標的の使用 優れたe-運動量分解能の実現 高エネルギー粒子による散乱バックグランドの低減 平成14年1月16-18日 青木正治、「物質の起源研究会」 17 PRISM 平成14年1月16-18日 青木正治、「物質の起源研究会」 18 PRISM PRISM (Phase Rotation Intense Slow Muon source) = m稀崩壊実験に最適な大強度・高輝 度のミュオンビーム 位相空間回転 高磁場大立体角パイオン捕獲 QuickTimeý Dz GIF êLí£ÉvÉçÉOÉâÉÄ Ç™Ç±ÇÃÉsÉNÉ`ÉÉǾå©ÇÈÇ…ÇÕïKóvÇÇ• ÅB 平成14年1月16-18日 青木正治、「物質の起源研究会」 19 PRISM諸現 大強度ミュオン 1011~1012 m±/秒 低運動量ミュオン (68 MeV/c 以下) 散乱バックグランドの低 パルスミュオン バックグランド除去 高輝度 減 高純度ミュオン DP = ±0.5-1.0 MeV 薄いm静止標的 高いe-運動量分解能 散乱バックグランドの低減 平成14年1月16-18日 パイオンの混ざり込み 殆ど無し FFAG (150 m) 高エネルギー e± 殆ど無し 青木正治、「物質の起源研究会」 20 PRISMの原理 大強度パルス状陽子ビーム 高ソレノイド磁場による大立体角パイオン捕獲 パイオン崩壊によるミュオン生成 位相空間回転によるミュオンの高輝度化 ニュートリノ ファクトリー 前段部分 平成14年1月16-18日 青木正治、「物質の起源研究会」 21 位相空間回転 何もしなければ：βの大きい高エネルギー粒子の位相は速く進み、 時間の経過 エネルギー エネルギー βの小さい低エネルギー粒子の位相は遅く進む。 位相 位相 位相空間回転：高周波加速空胴を用いて、位相の速い粒子を減 時間の経過 エネルギー エネルギー 速し、位相の遅い粒子を加速する 位相 平成14年1月16-18日 位相 青木正治、「物質の起源研究会」 22 位相空間回転 位相空間回転前 位相空間回転後 運動量の幅が狭くな っている 一次ビームパルス幅 < 10 nsec 平成14年1月16-18日 青木正治、「物質の起源研究会」 23 PRISMの実装 大強度陽子加速器 50 GeV PS @ 東海村 0.77 MW, 1014PPP 2007年コミッショニング 大立体角パイオン捕獲 12T, 5cm径 PT < 90 MeV/c 位相回転器 Fixed Field Alternating Gradient シンクロトロン 水平アクセプタンス 10000π mm・mrad 垂直アクセプタンス 3000π mm・mrad 運動量アクセプタンス ±20% not in scale 平成14年1月16-18日 青木正治、「物質の起源研究会」 24 大強度陽子加速器 KEK/JAERI 統合計画 平成14年1月16-18日 青木正治、「物質の起源研究会」 25 実験ホールと取出し方法 早い取出し < 10ns 100Hz 平成14年1月16-18日 青木正治、「物質の起源研究会」 26 FFAG位相回転器 Fixed Field Alternating Gradient シンクロトロン 大河千弘考案 磁気合金内装型 高周波加速空胴 200kV/m 固体素子を用いた 高繰返しキッカー 電磁石 平成14年1月16-18日 青木正治、「物質の起源研究会」 27 FFAG位相回転器 3倍波まで重ね合わせる dp/p(%) 鋸波で加速空胴を駆動した場合 phase (degree) 平成14年1月16-18日 青木正治、「物質の起源研究会」 28 FFAG 原理の実証 陽子 FFAG 実証機によるテスト 終了： 500 keV まで加速を確認 150 MeV 陽子 FFAG 建設中 KEK ハドロン加速器グループ 平成14年1月16-18日 青木正治、「物質の起源研究会」 29 高磁場パイオン捕獲ソレノイド の開発 試験ソレノイド電磁石の製作 11T ハイブリッド テスト 電磁石 (Nb3Sn, NbTi) 目下テスト中 平成14年1月16-18日 KEK 低温センター 青木正治、「物質の起源研究会」 30 ミュオン収量の評価 パイオン捕獲 PT<90 MeV/c (12T 5cm radius) FFAGアクセプタンス 10000p mm・mrad 水平, 3000p mm・mrad 垂直 Dp/p = ±20% 0.005 - 0.01 m±/proton In 20 MeV±(0.5-1.0)MeV KEK/JAERI 統合計画 50-GeV PS 1014 proton/sec ミュオン収量 = 1011-1012 m±/sec 現在世界最高強度を誇るPSIのミュオン収量の おおよそ10000倍!!! 平成14年1月16-18日 青木正治、「物質の起源研究会」 31 PRIME PRISM Muon Electron Conversion 平成14年1月16-18日 青木正治、「物質の起源研究会」 32 PRIME 対 MECO P R IM E 2 1 0 11 /se c 1 0 1 2 /se c ( 4 in fu tur e) ミ ュ オ ン 運 動 量 6 8 ± 2 M eV /c 8 0% m 静止効率 Ti ( m = 3 2 9 n s) 標的材料 ミ ュ オ ン /se c 標的配置 e- M ECO 1 5 ~ 9 0 M eV /c 4 0% A l( m = 8 8 0 n s) B (m N eN )/ B (m e ) 1/238 B (m N eN )/ B (m e ) 1/389 20 層 1 7 -2 5 層 1 層 当 た り 50mm 運 動 量 分 解 能 3 5 0 k eV (F W H M ) 測定可 能な タ イ 全時間可能 100% ミ ング 1 層 当 た り 200mm 7 5 0 k eV (F W H M ) ビ ーム 入射中は停止 5 0% tim e ビ ーム 純度 目標精度 平成14年1月16-18日 極めて 高い 1 0 -18 12桁以上の改善 tim e m ,p , an d e 1 0 -17 青木正治、「物質の起源研究会」 33 PRIME 計数率 パルス当たりミュオン数はMECOよりも104~105 倍高い MECO : 1 MHz PRIME : 100 Hz 測定装置に特別な工夫が必要となる: Spiral Solenoid Spectrometer 高アクセプタンス (>41%) 高 DIO リジェクション (>109) 極めて低く抑えられた計数率 (<10 per pulse) Electron Accumulator RING (EARING) 電子ストレージリングを用いたm-e変換電子のデバンチ 平成14年1月16-18日 青木正治、「物質の起源研究会」 34 Spiral Solenoid Spectrometer トーラス磁場による低エネル ギー荷電粒子の除去 D= 1 s ( ps 0.3B R 2 1 2 2 pt ) ps D : トーラス主軸に垂直な方向へのド リフト距離 B [T] : トーラス磁場強度 s : トーラス副軸方向の距離 R : トーラス主半径 pt, ps : 横、縦運動量 平成14年1月16-18日 青木正治、「物質の起源研究会」 35 幅広いPRISMの応用 素粒子物理学 Muonium-antimuonium 変換 m- - m+ 変換 脳の研究 muonic X-ray 測定 からのエネルギーの揃った ミュオンビームによる ミュオン静止深さの制御 バイオロジー 物性 考古学 位相逆回転による ナノ秒ミュオンビーム 平成14年1月16-18日 青木正治、「物質の起源研究会」 36 まとめ m-LFV、とりわけ|DLi|=1過程の実験的研 究は大変に重要である。 今後さらにm-LFVの実験的な研究を飛 躍的に発展させる為には、従来に無い 程高品位で且つ大強度のミュオンビー ム が必要である。 平成14年1月16-18日 青木正治、「物質の起源研究会」 37 End of Slides 平成14年1月16-18日 青木正治、「物質の起源研究会」 38