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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