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COMET 实验 —— 在 J-PARC 寻找带电轻子味破坏

COMET 实验 —— 在 J-PARC 寻找带电轻子味破坏. 吴琛 南京大学物理学院 中国科学院高能物理研究所 On Behalf of COMET Collaboration 高能物理会议，武汉 2014 年 4 月 22 日. 概要. 带电 轻子味破坏 (CLFV: Charged Lepton Flavor Violation ) 与新物理 CLFV 实验情况 μ 子原子中的 μ -e 转换 COMET ( @ J-PARC) 单事例精度小于 10 -1 7 (x10000 ) COMET Phase-I ( @ J-PARC)

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COMET 实验 —— 在 J-PARC 寻找带电轻子味破坏

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Presentation Transcript

  1. COMET实验——在J-PARC寻找带电轻子味破坏 吴琛 南京大学物理学院 中国科学院高能物理研究所 On Behalf of COMET Collaboration 高能物理会议，武汉 2014年4月22日

  2. 概要 • 带电轻子味破坏(CLFV: Charged Lepton Flavor Violation)与新物理 • CLFV 实验情况 • μ子原子中的μ-e转换 • COMET (@J-PARC) • 单事例精度小于10-17(x10000) • COMET Phase-I (@J-PARC) • 单事例精度小于10-15(x100) • 总结

  3. 味物理与带电轻子味破坏(CLFV: Charged Lepton Flavor Violation)

  4. 标准模型对CLFV的贡献 • BR~O(10-54) • 如果CLFV被观测到，那么这将是标志新物理被发现的清晰信号。

  5. extra dimension model • little Higgs 模型 • extra dimension 模型 • SUSY 模型 关于CLFV的预言 • 104 • 许许多多新物理模型都给出了程度可观的CLFV预言

  6. 夸克 • 轻子 • 带电轻子耦合？ • 发现中微子振荡 夸克，中微子，带电轻子 • 发现夸克耦合 • 带电轻子味破坏(CLFV)

  7. CLFV 实验情况

  8. 历史上的CLFV • 首次CLFV实验 • Pontecorvo,1947

  9. 当前的上限和未来的预期上限

  10. μ-e 转化 • μ子原子基态 • 无中微子的μ子核俘获 • 信号事例特征： • 105 MeV的单能单电子 • 本底： • 物理本底 • 如μ子轨道衰变(DIO) • 束流相关本底 • 如π的辐射俘获，μ子飞行中衰变 • 偶发本底 • 如宇宙线，误寻迹 • 本底来源可以控制！

  11. 之前的实验结果 • SINDRUM-II (PSI) • 结果发表于2004年 • PSI束流强度~ 107-8/sec（来自PSI 回旋加速器）。实验中装有beam veto counter以排除束流相关本底，但是这种veto counter不能在高强度束流下工作。

  12. µ-e转化：费米实验室的Mu2e实验 • 是对MECO（BNL）概念的重现。 • 采用反质子聚束器实现质子束脉冲。（2009年通过，分别于2009年和2011年完成第一和第二版概念设计）。 • 计划于2019年取数。

  13. COMET

  14. COMET的国际合作 • 日本组已经得到经费资助 • 中国组已得到经费资助 • 俄罗斯组经费即将就位 • 11个国家/地区，28所大学/研究机构，129个成员

  15. 8GeV proton beam • 2.6 • 5T pion • capture • solenoid COMET (E21) at J-PARC • 6 • 3T muon transport • (curved solenoids) • 物理目标 • muon stopping • target • electron • transport • 束流强度1011muonstops/sec，功率56 kW。 • 计划运行2x107秒（约一年） • C型μ子传输螺线管 • C型电子传输螺线管与电子探测系统。 • Stage-1 于2009年通过审批 • electron tracker • and calorimeter • C型电子传输螺线管用于选择粒子动量

  16. J-PARC的质子束流 • 为了抑制束流本底，需要采用脉冲束流. • 所需的时间结构： • 脉冲间隔~ 1μsec或更多（静止靶中μ子的寿命）。 • 脉冲峰宽尽可能小（<100 nsec） • Pulsed beam from slow extraction. • 慢速提取，间隔一个bucket注慢速提取，间隔一个bucket注入入束流 • spill length (flat top) ~ 0.7 sec • 考虑到宇宙线本底，spill length尽可能短。

  17. 电子谱仪 • 用稻草管探测器来探测电子 • 真空，磁场。 • 稻草管 • 管壁厚25μm，直径5 mm。 • 五个由稻草管组成的平面，每个平面有垂直摆向的四层稻草管。 • 电子量能器防止在末端，可以测量电子能量，也可以提供更多的击中点信息。 • 备选材料：LYSO, GSO • 采用MPPC或APD做信号读取

  18. 2.6 信号灵敏度（2x107 sec） • 6 • 单事例灵敏度 • Nμ= 2x1018是停在静止靶中的μ子数 • fcap是μ子被原子核俘获的比例。在铝中，这个数字是0.6。 • Ae= 0.04 是探测器的接收率。

  19. 本底事例率 • 束流相关本底 • 固有物理本底 • 宇宙线和其他本底 • 实验期间预期会探测到0.34个本底事例。

  20. 1 • 2 • COMET • 对本底的抑制 • 对束流亮度的提高 • π捕获系统 • 脉冲束流 R&D里程碑 • 实验将在脉冲之间取数。脉冲间隙的质子泄漏率应小于<10-9。 • 高强度超导磁体 • X103 • 单事例灵敏度: 2.6x10-17

  21. COMET的阶段计划(2012~) • COMET Phase-I • COMET Phase-II • long enough so that # of muons/proton is the same as Phase-II.

  22. 1 • 2 • 本底研究 for COMET Phase-II • 寻找µ-e转化 • 在一个中等的灵敏度上寻找μ−−e−转化。 • 单事例灵敏度预期将比当前最好结果（SINDRUM-II）好一百倍。 COMET Phase-I的物理目标 • 用Phase-I建造的束流线直接测量潜在的本底来源，为Phase-II铺路 • StrEcal • CyDet

  23. COMET Phase-I 实验概览 • µ • 质子束流 • COMET Phase-I 探测器： • 约有1016个μ子停止在靶中。来自于µ-e转化电子将被探测器接收。 • COMET μ子束流： • 6x109muon/sec，3kW。世界最高亮度。

  24. Cylindrical Detector (CyDet) • 用斜丝层记录击中点的z坐标（全斜丝层漂移室） • 用氦基混合气体降低散射效果 • 大内径，避免过高的DIO击中率 • CFRP制成的质子吸收层，用于降低质子击中率 • CDC • 设计

  25. 中国组的加入 • 中国组（IHEP&NJU）于2012年加入COMET合作组，主要承担CDC的软硬件准备工作 • CDC电子学 - 已提交部分订单，计划于11月开始测试 • CDC寻迹 - 刚起步 • 软件组工作 - 参与软件框架的准备工作 • 束流优化 – 负责μ子束流，CyDet几何与静止靶的参数优化，承担本底评估及信号灵敏度预期的工作

  26. 3.1 CyDet的信号灵敏度 • 信号接收率 • 信号灵敏度 • fcap = 0.6 • Ae = 0.056 • Nμ = 9.4x1015muons • 10-15 • 10-15 • 每一个质子打靶，将会有大约0.00064个子停在静止靶中 • μ子束流强度 • 0.4 µA的流强下需要90天的运行时间

  27. 本底清单 • 束流本底

  28. CyDet的本底估计

  29. Schedule of COMET and Mu2e

  30. 总结 • CLFV 可能是寻找新物理的最佳途径（目前为止LHC并未发现新物理）。 • μ-e转化过程无论是从理论上还是实验上讲都是非常重要的一个值得研究的CLFV过程。 • J-PARC的COMET (Phase-II) 预期单事例灵敏度将达到3x10-17。 • 阶段性计划提出后, COMET Phase-I 预期将达到3x10-15的单事例灵敏度。束流线的建造由KEK资助。建造将于2014年开始。计划于2016年开始取数。中方在Phase-I的准备工作中起到了重要作用，并将继续在合作项目中发挥影响力。

  31. WELCOME!

  32. Back Up

  33. 中微子工厂 μ子 VS τ子 • B工厂中可以利用的τ子数大概是1-10taus/sec。如果超级B工厂建成, 大概有100taus/sec可能被利用。而且有些衰变的研究被本底所限制. • 当前可利用的μ子数大概是108muons/sec （在PSI）。下一代的实验预期要实现1011-1012muons/sec。利用μ子对撞机和中微子工厂的技术，未来可能实现1013-1014muons/sec。 • μ子通往新物理之窗较τ子更为宽广 • μ子对撞机

  34. “DNA of New Physics” (a la Prof. Dr. A.J. Buras)

  35. 对于圈图： • SUSY例图(~TeV) CLFV对新物理的灵敏度（以SUSY模型为例） • ->对TeV能区敏感 • 1016GeV处的物理 • slepton mixing • (来自RGE) • SUSY-GUT 模型 • SUSY neutrino seesaw 模型

  36. 取自Y. Okada 的幻灯片(2010) CLFV与中微子的Mass Generation • CLFV~O(10-54) • 1 • 2

  37. SUSY 预言(仿照A. Masiero) • arXiv:1207.7227v1 [hep-ph] 31 Jul 2012 • 1

  38. A. Ibara, E. Molinaro, S.T. Petcov, Phys. Rev. D84 (2011) 013005 CLFV with TeV Seesaw (Type-I) • TeV seesaw type-I models predict sizable branching ratio of CLFV with right-handed neutrino mass of O(TeV).

  39. 在铝处归一化 靶材的选择：μ-e转化分支比 • R. Kitano, M. Koike and Y. Okada, Phys. Rev. D66, 096002 (2002)

  40. 带电径迹在弯曲螺线管中的传输 • 带电径迹的中心在弯曲的螺线管中会偏移： • 可以用此筛选动量. • 这个偏移可以用平行于偏移方向的补偿磁场进行修正：

  41. MuSIC (=Muon Science Innovative Channel) • funded • in FY2009 • constructed

  42. R&D on Electron Straw Tracker System • The electron tracker consists of 5 planes of straw chambers, and each plane has 4 arrays. • The readout scheme has been changed to be in units (ASIC) of 4 straws rather than 8. • The manifold design is going. • ASIC design is going with the KEK electronics group. • A straw chamber plane consists of 4 arrays, x,x’, y, y’.

  43. COMET Electron Tracker

  44. COMET Electron Calorimeter

  45. R&D on Electron Calorimeter • Candidates of scintillating crystals are GSO(Ce), LYSO, LaBr3 and others. • Candidates of Calorimeter readout of MPPC and APD. • The beam test of GSO with either MPPC and APD was done with electron beam at Tohoku Univ. in 2009 and 2010. • Data analysis goes underway. • signal from MPPC for GSO(Ce) • GSO(Ce) Crystals • MPPC and readout

  46. CDC: Cell and Wire arrangement • 19 concentric sense layers • sense wire: 30 µm gold-plated tungsten • field wire: 126 µm aluminum • all stereo layers with • alternating stereo angles (of ~50 mrads). • (e.g. KLOE) • guard layers 1st and 19th

  47. R&D on Cosmic Ray Veto • The active cosmic ray veto system has been designed and tested by the BINP (Novosibirsk) and ITEP (Moscow) group. • Plastic scintillators with fiber readout by SiPM or APD. • The light yield at a far end is even 15 pe. The counter efficiency for MIP is 99.7% with 55 pixel threshold. • Plastic scintillators with fiber readout (basic module).

  48. R&D on Stopping Muon Monitor System • To monitor a number of stopping muons, muonic X-rays from the muon stopping target (made of aluminum) is to be measured. • Two different detectors, Ge and CdTe were tested at the J-PARC MLF muon facilities in fall, 2010. • Detector efficiencies and transition rates are studied. • R&D on Multi-pixel detectors is being done. • Location of the muonic X-ray detectors at COMET is being studied. • Measured muonic X-rays from aluminum

  49. 在单事例灵敏度3x10-19处寻找μ-e转化 PRISM/PRIME (利用μ子存储环) • PRIME detector • MW beam • momentum slit • PRISM-FFAG • muon storage ring • extract kickers • matching section • PRISM • beamline • curved solenoid (short) • SC solenoid / • pulsed horns • injection kickers

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