[論文レビュー] HIKE, High Intensity Kaon Experiments at the CERN SPS

E. Cortina, J. Jerhot+177 more|arXiv (Cornell University)|Nov 29, 2022

Particle physics theoretical and experimental studies被引用数 12

ひとこと要約

HIKEはCERNのSPSで、中性および荷電のカイオンビームを用い、ビームドゥーム方式を採用することで、既存のNA62インfraや検出器を活用し、レアなカイオン崩壊、CP対称性の破れ、新しい物理学を高精度で研究する段階的で高精度な計画を提唱する。この計画は、極めて弱く相互作用する粒子や、最高の質量スケールまで及ぶ新しい物理学に対して、未曾有の感度を実現することを目的としている。

ABSTRACT

A timely and long-term programme of kaon decay measurements at a new level of precision is presented, leveraging the capabilities of the CERN Super Proton Synchrotron (SPS). The proposed programme is firmly anchored on the experience built up studying kaon decays at the SPS over the past four decades, and includes rare processes, CP violation, dark sectors, symmetry tests and other tests of the Standard Model. The experimental programme is based on a staged approach involving experiments with charged and neutral kaon beams, as well as operation in beam-dump mode. The various phases will rely on a common infrastructure and set of detectors.

研究の動機と目的

• CERN SPSで、NA62とNA48の40年以上にわたる経験を基盤として、長期間にわたる高精度なカイオン崩壊測定プログラムを実施すること。
• 現在の実験と比較して感度を向上させ、レアなカイオン崩壊過程、CP対称性の破れ、標準模型を超える新しい物理学を探る。
• ビームドゥームおよび専用検出技術を用いて、極めて弱く相互作用する粒子（FIPs）に対して、未曾有の感度で探査すること。
• 10年以上にわたる段階的実験的手法を採用し、物理学の状況の変化に応じた柔軟な対応が可能であり、同時に複数の研究者グループの利用を可能にすること。
• 特にECN3ホールとNA62検出器を活用し、最小限の土木工事で実現することで、コスト削減と早期導入を実現する既存インフラの活用。

提案手法

• 標的に高強度の陽子ビームを照射し、二次反応によって荷電および中性のカイオンを生成する。ビームドゥームモードにより、高カバレッジの検出を実現する。
• 段階的検出器構成を採用：段階1では、専用のカイオン識別システム（KTAG）、ビームトラッカー、遮断系を設置。段階2では、メイン電磁カルオリメータ（MEC）を追加。段階3（KLEVER）では、13個の追加の大型角度遮断（LAV）モジュールを追加。
• 既存のNA62検出器（LKrカルオリメータ、読み出しシステム、時間測定検出器など）を再利用・改修し、新しい読み出しバックエンドと部品の見直しを実施する。
• 先進的な検出技術を採用：カイオン識別にはMCP-PMT、遮断および時間測定系にはSiPM、VetoCounterにはシンチレーティングファイバー（SciFi）、ハドロンおよびミューオン検出にはShashlykカルオリメータを用いる。
• 7台のクライオポンプを用いて、約10⁻⁶ mbarの真空を維持する。2021年に既に維持されているため、LKrカルオリメータおよび他の検出器の安定稼働が保証される。
• 北エリアで他の実験と並行して運用することで、他の実験との互換性を確保し、物理学的多様性とリソース効率を最大化する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 HIKE計画は、CP対称性の破れやレプトンのフレーバー不変性の破れを調べるレアなカイオン崩壊に対して、どの程度の感度を有するか？
• RQ2 SPSでのビームドゥーム運用を最適化することで、カイオン崩壊から生じる長寿命で極めて弱く相互作用する粒子の検出をどの程度向上できるか？
• RQ3 K⁺ → π⁺νν̄の分岐比をどの程度の精度で測定できるか、現在の制限と比較してどうなるか？
• RQ4 理論的および実験的優先順位の変化に応じて、3段階にわたる検出器のモジュール的アップグレードをどのように実現し、感度を維持できるか？
• RQ5 NA62インフラを拡張して、より広い検出器カバレッジを持つ長期的なカイオン物理学計画を実施するにあたり、コストと技術的実現可能性はどの程度か？

主な発見

• 段階1では、1スパイルあたり1.2×10¹³個の陽子ビーム強度が必要であり、有効体積内に年間約2×10¹³個のカイオン崩壊が発生する。
• 段階2（中性カイオンとトラッキングを含む）では、1スパイルあたり2×10¹³個の陽子ビーム強度を要し、年間3.8×10¹³個のカイオン崩壊を達成する。この段階では、推定5 MCHFのコストでメイン電磁カルオリメータ（MEC）を追加する。
• 段階3（KLEVER）では、大型角度遮断（LAV）システムを12から25モジュールに拡張し、13個の新規モジュールを追加する。推定コストは9 MCHFで、段階1の総検出器コストは22.3 MCHF、全計画の総コストは36.8 MCHFとなる。
• 段階1の検出器総コストは22.3 MCHFで、主な部品にはKTAG（0.5 MCHF）、ビームトラッカー（2.5 MCHF）、LAVモジュール（8 MCHF）が含まれる。
• LKrカルオリメータは、継続的な冷却維持により稼働を継続可能であり、読み出しチェーンは新しいバックエンドと旧部品の見直しを経てアップグレードされる。
• 計画はLong Shutdown 4（LS4）以前に土木工事を一切行わず、最小限のインフラ変更と、既存の電気および冷却システムとの互換性を確保することで、総合的なコストとリスクを低減する設計である。