[論文レビュー] Proposal for taking data with the KLOE-2 detector at the DA$Φ$NE collider upgraded in energy

D. Babusci, C. Bini+120 more|arXiv (Cornell University)|Jul 29, 2010

Computational Physics and Python Applications参考文献 1被引用数 6

ひとこと要約

本論文は、KLOE-2検出器を用いてハドロン断面積の高精度測定を可能にするために、DAΦNE加速器のエネルギーを2.5 GeVの中心系エネルギーにアップグレードすることを提案する。約10³² cm⁻²s⁻¹のランプセンシティを有することで、1–2.5 GeV領域の1年間のスキャンが可能となり、ミュオンのg−2におけるハドロン的真空偏移寄与およびαem(MZ²)の不確実性が半分に削減される。これは標準模型の検証および新物理の探査にとって不可欠である。

ABSTRACT

This document reviews the physics program of the KLOE-2 detector at DA$Φ$NE upgraded in energy and provides a simple solution to run the collider above the $ϕ$-peak (up to 2, possibly 2.5 GeV). It is shown how a precise measurement of the multihadronic cross section in the energy region up to 2 (possibly 2.5) GeV would have a major impact on the tests of the Standard Model through a precise determination of the anomalous magnetic moment of the muon and the effective fine-structure constant at the $M_Z$ scale. With a luminosity of about $10^{32}$cm$^{-2}$s$^{-1}$, DA$Φ$NE upgraded in energy can perform a scan in the region from 1 to 2.5 GeV in one year by collecting an integrated luminosity of 20 pb$^{-1}$ (corresponding to a few days of data taking) for single point, assuming an energy step of 25 MeV. A few years of data taking in this region would provide important tests of QCD and effective theories by $γγ$ physics with open thresholds for pseudo-scalar (like the $η'$), scalar ($f_0,f'_0$, etc...) and axial-vector ($a_1$, etc...) mesons; vector-mesons spectroscopy and baryon form factors; tests of CVC and searches for exotics. In the final part of the document a technical solution for the energy upgrade of DA$Φ$NE is proposed.

研究の動機と目的

• ハドロン的真空偏移寄与によるミュオンの異常磁気モーメント（aμHLO）の理論的不確実性を3×10⁻¹⁰未満に低下させること。
• 1–2.5 GeVエネルギー領域におけるハドロン断面積の測定を通じて、Zボソン質量スケールにおける有効構造定数αem(MZ²)の精度を向上させること。
• Exoticおよび軽いメソンの開放しきい値を介して、γγ物理学、ベクトルおよびスカラー中間子分光学、バリオン形式因子、およびCVCテストに関する高統計的分析を可能にすること。
• 1–2.5 GeV領域における高精度ハドロン測定に関して、BファクトリーおよびVEPP-2000の放射帰還と競合可能な代替手段を提供すること。
• 既存インfraストラクチャへの最小限の変更で、~2 GeVの中心系エネルギーに達する技術的かつ費用対効果に優れたDAΦNEのアップグレード経路を提示すること。

提案手法

• DAΦNE加速器のエネルギーを700 MeVから~1.02 GeVに引き上げ（中心系エネルギー2.04 GeV）、2.5 GeVまでデータ収集が可能になるようにアップグレードを提案。
• 既存のKLOE-2検出器に計画されたハードウェアアップグレードを適用し、e⁺e⁻消滅測定における高ランプセンシティおよび高精度を実現すること。
• 1から2.5 GeVの範囲を25 MeV刻みで段階的なエネルギー走査を実施。1ポイントあたり約20 pb⁻¹を数日で収集可能で、全スキャンが~1年で完了する。
• インジェクションおよび加速中のビームコリメーションを実施し、ウィグラーを設置しないことでビーム損失を低減することで、高いビーム寿命およびランプセンシティを維持すること。
• 磁場強度を向上させるためにメインディポールを交換または改造するが、最終実装の前に実現可能性調査が必要である。
• 超伝導反対ソレノイドおよび電磁的パンフォフスキー型四極磁石を用いた技術的解決策を採用し、高エネルギー下での検出器磁場を管理すること。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 DAΦNE加速器のわずかなアップグレードにより、最小限のコストおよび工学的負担で中心系エネルギー2.5 GeVまでエネルギー範囲を拡大可能か？
• RQ2 KLOE-2を用いた1–2.5 GeV領域における安定スキャンで、1日あたり達成可能なランプセンシティおよび統合ランプセンシティはどの程度か？
• RQ3 このエネルギー領域における正確なハドロン断面積測定が、aμHLOおよびαem(MZ²)の不確実性をどの程度低減できるか？
• RQ4 DAΦNE-2の有効ランプセンシティは、Bファクトリーの放射帰還およびVEPP-2000と比較して、1–2.5 GeV領域でどの程度優れているか？
• RQ5 高いエネルギー下での安定したビーム運転および十分なランプセンシティを確保するための技術的解決策は何か？ただし、ビーム寿命や検出器性能を損なわないようにする。

主な発見

• ピークランプセンシティが~5×10³² cm⁻²s⁻¹の1–2.5 GeV領域での1年間のデータ取得キャンペーンでは、1日あたり約5 pb⁻¹が得られ、高い統計的精度での全エネルギー走査が可能となる。
• 数年間で予想される統合ランプセンシティは~5 fb⁻¹で、ハドロン的真空偏移寄与によるミュオンg−2の不確実性が半分に削減される。
• アップグレードにより、aμHLOの不確実性は3×10⁻¹⁰未満に低下し、今後のFNALおよびJ-PARC実験における新物理の検証に必要な精度目標を満たす。
• 1–2.5 GeV領域におけるDAΦNE-2の有効ランプセンシティは、光子放出損失がないため、Bファクトリーの放射帰還を上回ると予想される。
• メインディポールの技術的アップグレードは実現可能であり、~1.02 GeV（中心系エネルギー2.04 GeV）のビームエネルギーを達成可能であるが、詳細な工学的調査の結果、±10%の不確実性が残存する。
• アップグレードの費用見積もりは10 MEur未満に抑えられ、技術設計に~1年、調達に~1年、設置に6か月を要する見通しである。