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PRISM と m -lepton flavor violation

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  e  MEG (PSI)     e - A  変換 MECO (BNL) PRISM PRISM 概要 PRISM と     e - A  変換 , PRIME まとめ.  稀崩壊 |D L i | =1   e   eee      ±   変換 |D L i | =2

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PRISM と m -lepton flavor violation

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Presentation Transcript

  1. 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

  2. もくじ • イントロダクション • e • MEG (PSI) • e-A変換 • MECO (BNL) • PRISM • PRISM概要 • PRISMとe-A変換, PRIME • まとめ 青木正治、「物質の起源研究会」

  3. 稀崩壊 |DLi |=1 e eee  ±変換 |DLi |=2 e-変換  変換 中間子稀崩壊 |DLi |=1 KL → e K+→ p++e- B→ e |DLi |=2 K+→ p-++ m-lepton flavor violation 青木正治、「物質の起源研究会」

  4. LFV 探索の現状 ミュオンが大変健闘している • 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 青木正治、「物質の起源研究会」

  5. m-LFV 探索の歴史 • Since 1948 E.P. Hincks and B. Pontecorvo, PR 73 (1948) 257 • m稀崩壊の歴史 = m-LFV探索の歴史 10年毎に2桁!! After Yoshitaka Kuno 青木正治、「物質の起源研究会」

  6. LFV と SUSY-GUT • SUSY-GUT • |DLi |=1 • slepton mixing • 現在の実験精度からわずか数桁下 • Standard Model + Neutrino Mass • Neutrino mixing • Very small ~ 青木正治、「物質の起源研究会」

  7. e探索 青木正治、「物質の起源研究会」

  8. m → egとm-A → e-A m  eg m  e conv. t  mg 青木正治、「物質の起源研究会」

  9. Signal と Background • 信号の特徴 • Ee=m/2, E=m/2 (=52.8 MeV) • e=180back-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 e • 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 e • ine • in e+e- annihilation in flight 青木正治、「物質の起源研究会」

  10. 目標感度 : 10-14 ソレノイド電磁石e+ Constant Bending Radius (COBRA) spectrometer a solenoid field with gradient to keep 52.8 MeV e+ following a constant radius. 液体 Xenon カロリメータg high light yield PMTs surrounded (mini-Kamiokande type) Duty factor = 100% start in 2004 ? meg/MEG 青木正治、「物質の起源研究会」

  11. バックグランド After Y. Kuno and Y. Okada Bmeg = 10-14 Nb = 0.5 events • Bmeg = 10-16 • Rm = 1010m/s • Nb ~ 104 events? 青木正治、「物質の起源研究会」

  12. e-A変換 青木正治、「物質の起源研究会」

  13. e-A変換 原子核 • muonic atom (1s state) • neutrinoless muon nuclear capture (=e-A変換) m- muon decay in orbit nuclear muon capture |DLi |=1 コヒーレント process 青木正治、「物質の起源研究会」

  14. Signal と Background • 信号の特徴 (Z5) • 単色電子の放出 Emax = (m-B) 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 • pion capture with photon conversion • ビームからのパイオンの徹底的な排除 • cosmic ray 青木正治、「物質の起源研究会」

  15. MECO at BNL-AGS • E940 aim at B(AleAl-16at BNL AGS MECO • 5x1011-/spill, 1.1MHz pulse • 8GeV proton beam at AGS • high field capture solenoid of 4T • schedule : 2006 start ??? 青木正治、「物質の起源研究会」

  16. m-LFV の現状（まとめ） • 現在までの主な実験,準備中の実験 • 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 青木正治、「物質の起源研究会」

  17. 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 ⇔ m e g • 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 青木正治、「物質の起源研究会」

  18. PRISM 青木正治、「物質の起源研究会」

  19. 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 青木正治、「物質の起源研究会」

  20. 大強度ミュオン 1011~1012m±/秒 パルスミュオン バックグランド除去 高輝度 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 低運動量ミュオン (68 MeV/c 以下) 散乱バックグランドの低減 高純度ミュオン 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 PRISM諸現 青木正治、「物質の起源研究会」

  21. 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 青木正治、「物質の起源研究会」

  22. エネルギー エネルギー エネルギー 位相 位相 位相 時間の経過 エネルギー 位相 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、βの小さい低エネルギー粒子の位相は遅く進む。 • 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速し、位相の遅い粒子を加速する 時間の経過 青木正治、「物質の起源研究会」

  23. 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 青木正治、「物質の起源研究会」

  24. 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 青木正治、「物質の起源研究会」

  25. 大強度陽子加速器 KEK/JAERI 統合計画 青木正治、「物質の起源研究会」

  26. 実験ホールと取出し方法 • 早い取出し • < 10ns • 100Hz 青木正治、「物質の起源研究会」

  27. 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 青木正治、「物質の起源研究会」

  28. FFAG位相回転器 • 鋸波で加速空胴を駆動した場合 dp/p(%) 3倍波まで重ね合わせる phase (degree) 青木正治、「物質の起源研究会」

  29. 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 青木正治、「物質の起源研究会」

  30. 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 KEK 低温センター 青木正治、「物質の起源研究会」

  31. 0.005 - 0.01 m±/proton 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% • 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 = 1011-1012m±/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!!! PRISM PSI 青木正治、「物質の起源研究会」

  32. PRIMEPRISM Muon Electron Conversion 青木正治、「物質の起源研究会」

  33. PRIME 対 MECO 桁以上の改善 青木正治、「物質の起源研究会」

  34. 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 青木正治、「物質の起源研究会」

  35. 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 : 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 青木正治、「物質の起源研究会」

  36. 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 青木正治、「物質の起源研究会」

  37. 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。 PRISM 青木正治、「物質の起源研究会」

  38. End of Slides 青木正治、「物質の起源研究会」

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