[論文レビュー] Prospects for CP-violation searches in the future experiment with RF-separated K+/- beam at U-70

V. Obraztsov, L.G. Landsberg|CERN Bulletin|Nov 10, 2000

Particle physics theoretical and experimental studies被引用数 5

ひとこと要約

本論文は、ロシア・プロトビノのIHEPのU-70陽子シンクロトロンで実施されるOKA実験を提案し、高強度でRF分離されたK±ビームを用いたCP対称性の破れの探索を目的としている。CERNのSPSから供与される超伝導RF偏向器を活用することで、1スパルごとに約4×10⁶個のK⁺/K⁻を達成し、K⁺→μ⁺νπ⁰γのような希少崩壊におけるT奇対称相関の感受性を高め、標準模型を超える新しい物理現象、特に3HDMフレームワークにおける探査が可能となる。

ABSTRACT

The first description of the experimental program "OKA" with RF-separated K+/- beam at Protvino U-70 PS is presented. The parameters of the beam as well as the potential for CP-violation searches are discussed.

研究の動機と目的

• CERNのSPSで使用されていた既存の超伝導RF偏向器を活用し、プロトビノのU-70陽子シンクロトロンで高強度でRF分離されたK±ビームの開発と実装を目的とする。
• 特に光子やレプトンを含む希少崩壊におけるK中間子崩壊におけるCP対称性の破れの高精度な検証を可能にする。
• 特に3Higgs二重項モデル（3HDM）の文脈において、K→μνπ⁰γ崩壊におけるT奇対称相関を、標準模型を超える新しい物理現象の探査手段として活用する。
• K⁺とK⁻ビームの相違を活用することで、最終状態相互作用の寄与を差し引く能力を活かし、CP対称性の破れ効果に対して競争力のある感度を達成する。

提案手法

• 1.8–2.5 Kで動作する超伝導RF偏向器（当初はカールスルート・CERN向けに開発）を用い、運動量依存の位相差を利用してK±をパイオングや陽子から分離する。
• 全長200 m、偏向器間隔76.3 mのビームラインを設計し、中間子に対して180°、パイオンに対して360°の位相差を達成することで、K±の選択的透過を実現する。
• 12.5 GeVまたは18 GeVの運動量、1パルスあたり10¹³個の陽子、2/9 sのドット時間比を想定し、1スパルごとに約4×10⁶個のK⁺/K⁻を達成する。
• K±ビームを用いて、K→μνπ⁰γ崩壊におけるT奇対称相関、例えばTπμγ = [pγ·(pπ×pμ)] / (|pγ||pπ×pμ|) を測定する。K⁺とK⁻の符号反転により、最終状態相互作用の寄与を差し引くことが可能となる。
• ε、ε′、中性子電気電離モーメント、ΔM_Dによって制約されたパラメータを用いて、標準模型および3Higgs二重項モデル（3HDM）におけるT奇対称相関の詳細なシミュレーションを実施する。
• カット処理後の予想される約7×10⁵件のK⁺→μνπ⁰γイベントを活用し、T奇対称相関に10⁻³レベルの感度で新しい物理の信号を探索する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 U-70PSで高強度RF分離K±ビームを用いることで、希少K中間子崩壊におけるCP対称性の破れに競争力のある感度が得られるか？
• RQ2 OKA実験がK⁺→μ⁺νπ⁰γ崩壊におけるT奇対称相関にどの程度の感度を達成できるか、特に3HDMのような新しい物理モデルの文脈で。
• RQ3 K⁺/K⁻ビームペアによる最終状態相互作用の寄与の抑制は、新しい物理の明確な信号を得るためにどの程度有効か？
• RQ4 Eγ > 30 MeVかつθμγ > 20°の条件を満たすK⁺→μ⁺νπ⁰γ崩壊の期待イベントレートは何か？また、これは発見レベルの測定に十分な量か？
• RQ5 3HDMフレームワークにおける理論的予測は、OKA装置のT奇対称相関測定感度とどの程度一致するか？

主な発見

• OKA実験は3か月間の運転で約7×10⁵件のK⁺→μ⁺νπ⁰γ崩壊イベントを収集し、運動量的カットを通過するイベントは約10⁵件に達すると予想される。
• 実験ではK→μνπ⁰γ崩壊におけるT奇対称相関に10⁻³レベルの感度を達成すると予想され、現在および計画中の実験と同等の競争力を持つ。
• 3Higgs二重項モデル（3HDM）における理論的計算では、ベンチマークパラメータセットでT奇対称相関が最大で約0.03に達すると予想され、新しい物理が存在する場合に検出可能な信号となる可能性がある。
• T奇対称相関への最終状態相互作用の寄与は約10⁻⁴と推定され、K⁺/K⁻ビームの非対称性を用いた差し引きによって十分に小さく抑えられる。
• 運動量12.5 GeV、±4%の運動量分解能、水平方向±10 mrad、垂直方向±1.9 mradのビーム受容角というビームパラメータは、高精度な測定を可能にする。
• 実験は2003年春に稼働を開始する予定であり、ビームラインの建設は2001年から開始される。