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

超対称大統一理論 シーソー理論 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) 新しい物理法則の実験的証拠の確立をめざす 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） 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 信頼できる新しい物理法則からの予言 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- nmne m- A e- A Very Small (10-52) µ e m i x n g W µ (mn/mW)4 Go Lm 1 0 1 0 DLm=0 Le 0 1 0 -1 DLe=0 Lm 1 0 0 0 DLm=-1 Le 0 0 1 0 DLe=+1

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？

超対称大統一、シーソー理論へ LFV SUSY-GUT @ Planck mass scale Yukawa interaction SUSY Seesaw Model Neutrino Yukawa interaction CKM matrix Neutrino oscillation LFV 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。 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 0.002 hep-ph/0703035v2 G.Isidori et al This Experiment 0.002 Current Bound ~10 |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 B-physics constraints listed hep-ph/0703035v2 G.Isidori et al This Experiment Hep-ph/0607263v2 S.Antusch et al

m-e conversionとmeg つづき 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。 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 m g e ? n 偶発的な事象の重なり

μ粒子電子転換事象探索 m m + ( A , Z ) ® e nucleus m  e n 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) nucleus m - + ( A , Z ) ® e m - レプトンフレーバーが 反応の前後で変化 muon decay in orbit m -  e n nuclear muon capture B ( m - N ® e ) = G n ' m - + ( A , Z )  n + ( A , Z - 1 ) m

μ粒子電子転換事象の信号 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 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 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 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

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

COMET 10-16の感度でのミュー粒子電子転換事象探索実験 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 J-PARC陽子ビーム m粒子ビーム ２００８年 J-PARC PAC プロポーザル ppm m粒子ビーム 陽子ビームターゲット p中間子捕獲 m粒子輸送 検出器 m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

m粒子ビームに対する要請 m- nuclei バックグラウンド 実験からの要請 Muon Capture(MC) p-+(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) nuclei m- Muon Decay in Orbit (MDO) SIGNAL

エクスティンクション m- pmn 0.88ms m-e conv nuclei バックグラウンド p-+(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 pmn 0.88ms m- nuclei m-e conv

陽子ビームに対する要請 BR=10-16, Nbg < 0.1  Extinction < 10-9 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 Nbg = NP x Rext x Rp-stop/P x Ap x PRPC x Pg-e x A NP : total # of protons (~1021) Rext : Extinction Ratio (10-9) Rp-stop/P : p–stop yield per proton (3.5 x 10-7) RRPC : Probability of g from p (0.2) Pg-e : Probability of e from g A : detector acceptance BR=10-16, Nbg < 0.1  Extinction < 10-9 1.17ms (584ns x 2) 0.7 second beam spill 1.5 second accelerator cycle 100ns 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 1013 ppb, 7mA, 56kW Linacチョッパーを使ってRCSでの空バケツを実現

p中間子生成ターゲット 低エネルギーp中間子 p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 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 p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 p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 p’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 ソレノイド磁場中をm粒子輸送 ~100MeV電子の同定と計測 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 105-MeV/c m-e electron 60-MeV/c DIO electrons m停止ターゲット アルミニウム: tm- = 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 105-MeV/c m-e electron

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

Single event sensitivity 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　　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 2x107 sec < 10-9 ビーム エクスティンクションとして を仮定 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 Muon Capture with Charged Part. Emission Cosmic-Ray Muons Electrons from Cosmic-Ray Muons 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 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 0.5 インフラ 　　　　　冷凍機 　　　　　p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 総額 75

R&Dの現状 陽子ビーム Extinction計測手法の開発 Extinction向上装置の開発 超伝導ソレノイド 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 電子カロリメータ プロトタイプ試験中 要請 ストローチューブ 構成 エレクトロニクス 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 建設予算 陽子ビームスタディー 2009 2010 2011 2012 2013 2014 2015 2016 2017 CDR 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 p捕獲ソレノイド磁石 m輸送ソレノイド磁石 検出器

COMET実現のために 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 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） 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 : tm- = 0.88 ms Thin disks to minimize electron energy loss in the target R = 100 mm, 200mmt, 17 disks, 50 mm spacing Graded B field for a good transmission in the downstream curved section. Good m-Stopping efficiency: e=0.66 Muon rate 1.5x1011/sec stopped-muon yields:~0.0023 m’s/proton

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 Straw tube tracker 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 Timing for Tracker Energy measurement Better trigger condition Redundancy to Ee measurement E/p cut to cosmic muons Position measurement Improve track recognition. f = 92 kHz per crystal Possible Photon Detectors (operational in vacuum and magnet) APD MPPC