[論文レビュー] KLEVER: An experiment to measure BR($K_L oπ^0ν\barν$) at the CERN SPS

F. Ambrosino, R. Ammendola+76 more|arXiv (Cornell University)|Jan 10, 2019

Particle physics theoretical and experimental studies被引用数 12

ひとこと要約

KLEVERは、CERNのSPSで高エネルギー中性ビームを用いて、$K_L \to \pi^0\nu\bar{\nu}$の稀な中性 kaon 衰えを高精度で測定することを提案している。運動量のブーストと高度なバイアスシステムを活用することで、信号とバックグラウンドの分離を向上させ、ブランチ比に対する感度を約20%に達する。これは、標準模型を超える新しい物理の重要なテストである。

ABSTRACT

Precise measurements of the branching ratios for the flavor-changing neutral current decays $K oπν\barν$ can provide unique constraints on CKM unitarity and, potentially, evidence for new physics. It is important to measure both decay modes, $K^+ oπ^+ν\barν$ and $K_L oπ^0ν\barν$, since different new physics models affect the rates for each channel differently. The goal of the NA62 experiment at the CERN SPS is to measure the BR for the charged channel to within 10%. For the neutral channel, the BR has never been measured. We are designing the KLEVER experiment to measure BR($K_L oπ^0ν\barν$) to $\sim$20% using a high-energy neutral beam at the CERN SPS starting in LHC Run 4. The boost from the high-energy beam facilitates the rejection of background channels such as $K_L oπ^0π^0$ by detection of the additional photons in the final state. On the other hand, the layout poses particular challenges for the design of the small-angle vetoes, which must reject photons from $K_L$ decays escaping through the beam exit amidst an intense background from soft photons and neutrons in the beam. Background from $Λ o nπ^0$ decays in the beam must also be kept under control. We present findings from our design studies for the beamline and experiment, with an emphasis on the challenges faced and the potential sensitivity for the measurement of BR($K_L oπ^0ν\barν$).

研究の動機と目的

• 中性kaon崩壊$K_L \to \pi^0\nu\bar{\nu}$のブランチ比を、これまで実験的に測定されたことがないままの状態で測定すること。
• フレーバー変換中性カレント崩壊の精密測定を通じて、標準模型を超える新しい物理を探ること。
• NA62が行っている$K^+ \to \pi^+\nu\bar{\nu}$の測定を補完するために、異なる新しい物理寄与に敏感な$K_L$モードを測定すること。
• ブランチ比に対して約20%の感度を達成することで、CKMユニタリティと新しい物理モデルの重要なテストが可能になること。
• $K_L \to \pi^0\pi^0$、$\Lambda \to n\pi^0$、およびビーム関連のバックグラウンドといった主なバックグラウンド課題に対し、最適化されたビームラインおよび検出器設計を用いて対処すること。

提案手法

• CERN SPSで高エネルギー中性kaonビームを用い、$K_L$崩壊の運動量ブーストを活用することで、追加の光子検出による$K_L \to \pi^0\pi^0$バックグラウンドとの分離を向上させること。
• 小角度バイアスシステムを導入し、ビーム出口から漏れる$K_L$崩壊由来の光子を除外することで、ソフト光子および中性子由来のバックグラウンドを低減すること。
• $\pi^0$の$p_\perp$および$\theta$対$p$の運動量カットを適用することで、$p^* = 104$ MeVの残存$\Lambda \to n\pi^0$バックグラウンドを抑制すること。
• 1 GHzまで達するFADCを用いた自由走行型、連続デジタル化読み出しシステムを採用し、デッドタイムなしでソフトウェアベースのトリガーおよびバックグラウンド除外を実現すること。
• TDCベースのタイムスタンピング（100 ps分解能）、光学GBTリンク、FPGA/GPUベースの事前処理を組み合わせた多層構造の読み出しアーキテクチャを設計し、SAC検出器からの最大100 GB/sの高データレートに対応すること。
• FLUKAおよびオフライン解析ツールを用いた包括的なシミュレーションスタディを実施し、バックグラウンド抑制および信号同定の妥当性を検証すること。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 SPSでの高エネルギー中性ビームを用いて、$K_L \to \pi^0\nu\bar{\nu}$のブランチ比を約20%の精度で測定できるか。
• RQ2 $K_L \to \pi^0\pi^0$および$\Lambda \to n\pi^0$バックグラウンドは、運動量および幾何学的技術を用いてどの程度効果的に抑制できるか。
• RQ3 自由走行型、高帯域幅の読み出しシステムは、SACからの予想されるデータレート（>100 GB/s）をデッドタイムなし、放射線損傷なしで処理できるか。
• RQ4 ビームガス相互作用、ラジエーション崩壊、中性ビームハローが最終的な感度に及ぼす影響は何か。
• RQ5 ビームライン設計、有効体積選択、検出器最適化を組み合わせることで、信号対バックグラウンド比を約1に向上させられるか。

主な発見

• KLEVER実験は、$K_L \to \pi^0\nu\bar{\nu}$のブランチ比に対して約20%の感度を達成するように設計されており、これは標準模型と新しい物理の重要なテストが可能になる。
• 高エネルギービームにより運動量ブーストが得られ、最終状態の追加光子検出が可能になり、$K_L \to \pi^0\pi^0$バックグラウンドの効果的抑制が可能になる。
• $p^* = 104$ MeVの残存$\Lambda \to n\pi^0$バックグラウンドは、$p_\perp$および$\theta$対$p$のカットを用いることで、数個のオーダーの抑制が可能である。
• 予備的スタディでは、100 MHzのイベントレートおよび100 psのタイミング分解能を持つ自由走行読み出しシステムがSAC検出器に対して実現可能であることが示唆されており、ソフトウェアベースのトリガーおよびバックグラウンド除外が可能になる。
• SACからのデータフローは100 GB/s程度と推定されており、PCIe40やFELIXベースのボードに加え、FPGAによる事前処理を要する高度な読み出しソリューションが必要となる。
• 詳細なFLUKAモデリングによる中性ビームハローのシミュレーションを含む包括的なシミュレーションが進行中であり、バックグラウンド抑制および信号同定の妥当性を検証している。