[論文レビュー] ORKA, The Golden Kaon Experiment: Precision measurement of K+ -> pi+nunubar and other rare processes

E. Worcester|arXiv (Cornell University)|May 30, 2013

Particle physics theoretical and experimental studies被引用数 4

ひとこと要約

ORKAは、フェルミラブのメインインジェクタープロトンビームを用いて、$K^+ \to \pi^+ \bar{\nu}\nu$の希少崩壊の正確な測定を提案しており、5%の不確かさを達成することを目的としており、これは標準模型を超える新しい物理の5σ検出を可能にする。BNL E787/E949の後続として、停止した中間子技術を用い、最適化された検出器設計により、従来の実験と比較して2桁の感度向上を実現する。

ABSTRACT

ORKA is a proposed experiment to measure the K+ -> pi+nunubar branching ratio with 5% precision using the Fermilab Main Injector high-intensity proton source. The detector design is based on the BNL E787/E949 experiments, which detected seven K+ -> pi+nunubar candidate events. ORKA is expected to acheive two orders of magnitude improvement in sensitivity relative to the BNL experiments as a result of enhancements to the beam line and the detector acceptance. Precise measurement of the K+ -> pi+nunubar branching ratio with the same level of uncertainty as the well-understood Standard Model prediction allows for sensitivity to new physics at and beyond the LHC mass scale. Detector R&D, simulation-based optimization of the experiment design, and preparation of the experiment location are underway.

研究の動機と目的

• 標準模型の理論的精度に一致する5%の不確かさで、$K^+ \to \pi^+ \bar{\nu}\nu$の分岐比を測定すること。
• 希少崩壊分岐比のずれを通じて、LHC質量スケールおよびそれ以上のスケールでの新しい物理効果を調べること。
• フェルミラブの既存インfraストラクチャ、特にCDFソレノイドとメインインジェクタービームラインを活用することで、費用対効果に優れた高感度実験を実現すること。
• 欠落エネルギーと$\pi^+$ス toward 分析を通じて、他の希少中間子崩壊および新しい物理のシグネチャへの感度を拡大すること。
• 現在の測定を上回る、$R_K = \Gamma(K^+ \to e^+\nu_e)/\Gamma(K^+ \to \mu^+\nu_\mu)$の統計的精度0.1%未満を達成すること。

提案手法

• フェルミラブのメインインジェクタービームから得られる陽子を用いて、高強度ビームラインで中間子を生成し、$K^+$を検出器に停止させ、正確な崩壊頂点再構築を可能にする。
• BNL E787/E949実験に基づく検出器設計を採用し、欠落エネルギーと明確な$\pi^+$信号を用いて$K^+ \to \pi^+ \bar{\nu}\nu$を検出するように最適化する。
• シミュレーションを用いた最適化により、検出器の受容率を向上させ、特に$K^+ \to \pi^+ \pi^0 \nu\bar{\nu}$および$K^+ \to \pi^+ \gamma$崩壊に起因するバックグラウンドを低減する。
• フェルミラブのB0サイトに位置するCDFソレノイドと冷却インfraストラクチャを活用することで、建設コストを削減し、導入を加速する。
• 飛行中崩壊法を補完するため、感度を高めるために$\pi^+$の高運動量領域に注目する停止中間子技術を採用する。
• $K^+ \to \pi^0 e^+ \nu_e$崩壊の行列要素を理論的正規化に用いることで、$K^+ \to \pi^+ \bar{\nu}\nu$率計算におけるハドロン的不確かさを低減する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 フェルミラブでの停止中間子実験として、$K^+ \to \pi^+ \bar{\nu}\nu$分岐比の5%の不確かさを達成できるか？
• RQ2 標準模型予測を超えて$K^+ \to \pi^+ \bar{\nu}\nu$を増幅させる新しい物理モデルに対するORKAの感度はどの程度か？
• RQ3 中間子崩壊における$\pi^+$と反動する非可視粒子からの欠落エネルギーシグネチャを通じて、ORKAは新しい物理をどの程度効果的に検出できるか？
• RQ4 統計的精度0.1%未満で$R_K$測定をどの程度改善できるか？
• RQ5 ORKA検出器構成における$K^+ \to \pi^+ \bar{\nu}\nu$のバックグラウンドレベルと信号対雑音比は予想されるか？

主な発見

• ORKAは、$K^+ \to \pi^+ \bar{\nu}\nu$分岐比の5%の不確かさを達成し、標準模型予測から35%のずれに対しても5σ検出が可能になる。
• 本実験では、BNL E787/E949実験と比較して2桁の感度向上が予想されており、同実験では7件の候補イベントしか観測されていない。
• 標準模型予測における理論的不確かさは約10%であり、主にCKM行列要素の不確かさに起因するが、近い将来に2倍の改善が見込まれる。
• 欠落エネルギーと$\pi^+$スペクトル解析を通じて、ファミロン、アクシオン、$A'$、および軽いダークマターを含む広範な新しい物理モデルに感度を持つ。
• 資金承認後5年以内にデータ取得を開始する予定であり、フェルミラブB0サイトの廃棄されたCDFインfraストラクチャを活用する。
• ORKAは$R_K$を統計的精度0.1%未満で測定し、現在のNA62測定（0.4%）を大幅に上回る精度を達成する。