[論文レビュー] Rare decays at the CERN high-intensity kaon beam facility

NA Collaboration, KLEVER Collaboration|arXiv (Cornell University)|Sep 23, 2020

Particle physics theoretical and experimental studies被引用数 4

ひとこと要約

この論文は、CERNのSPSで高強度の中間子物理学計画を提唱し、アップグレードされたNA62とKLEVER実験を用いて、$K^+\to\pi^+\nu\bar{\nu}$および$K_L\to\pi^0\nu\bar{\nu}$の稀な中間子崩壊をそれぞれ5%および20%の精度で測定することを目的としている。これらの測定は、標準模型を超える新しい物理学、特にレプトンフラバー不変性の破れや隠れたセクターの粒子を探索することを目的としており、最先端の検出器とビームラインのアップグレードを活用して、合計で15%未満の精度を達成する。

ABSTRACT

Precision measurements of the branching ratios (BRs) for rare kaon decays can provide unique constraints on CKM unitarity and may reveal the existence of new physics. The BRs for two of these decays, $K^+ oπ^+ν\barν$ and $K_L oπ^0ν\barν$, are strongly suppressed in the Standard Model, while their rates can be calculated with very small theoretical uncertainties.These decays are potentially sensitive to high mass scales, and several models of new physics predict large deviations from the Standard Model. Much progress has been made recently in the measurement of the $K oπν\barν$ BRs. Following upon NA62's successful application of the in-flight technique to measure ${ m BR}(K^+ oπ^+ν\barν)$, we envision a comprehensive program for the study of the rare decay modes of both $K^+$ and $K_L$ mesons, to be carried out with high-intensity kaon beams from the CERN SPS in multiple phases, including both an experiment to measure ${ m BR}(K^+ oπ^+ν\barν)$ at the 5% level and an experiment to measure ${ m BR}(K_L oπ^0ν\barν)$ at the 20% level. The detectors could also be reconfigured to allow measurements of $K_L$ decays with charged particles, such as $K_L oπ^0\ell^+\ell^-$.

研究の動機と目的

• 稀な中間子崩壊$K^+\to\pi^+\nu\bar{\nu}$および$K_L\to\pi^0\nu\bar{\nu}$の分岐比を高精度で測定し、CKM行列のユニタリティを検証するとともに、新しい物理学を探索する。
• 稀な崩壊率のずれを通じて、レプトンフラバー不変性の破れおよび隠れたセクターの粒子を調査する。
• アップグレードされた検出器と高強度ビームを用いて、$K^+\to\pi^+\nu\bar{\nu}$で5%、$K_L\to\pi^0\nu\bar{\nu}$で20%の精度を達成する。
• 検出器の再構成により、$K_L\to\pi^0\ell^+\ell^-$や他のエキゾチックな崩壊の補足的測定を可能にする。
• アップグレードされたビームラインと検出器技術を用いた、CERNのSPSにおける長期的で段階的な実験計画を支援する。

提案手法

• 年間最大$10^{19}$本のプロトンを標的に照射する、400-GeV/cの高強度でゆっくり抽出されるプロトンビームを用い、高レートの中間子ビームを生成する。
• 段階的な実験的手法を採用する：まず5%の精度で$K^+\to\pi^+\nu\bar{\nu}$を測定し、次にKLEVERプロジェクトを用いて20%の精度で$K_L\to\pi^0\nu\bar{\nu}$を測定する。
• LGADまたは3次元ピクセルセンサーを用いた50 psの時間分解能を持つギガトラッカーを含む先進的検出器を導入する。
• 高レート環境下でのチェレンコフ粒子識別に、20 psのタイムレスolutioの超高速単一光子検出器を統合する。
• 薄肉で狭いギャップ（5 mm）の真空操作ストロングチューブを用い、約6 nsの時間分解能で二次粒子の追跡を実施する。
• 配向した結晶を用いたコherent光子変換により、高エネルギー光子の抑制と、$K_L$崩壊における小角度光子のバイト効率の向上を図る。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 CKMユニタリティの検証と、数百TeVスケールの新しい物理学の探索を目的として、$K^+\to\pi^+\nu\bar{\nu}$の分岐比を5%の精度で測定できるか？
• RQ2 $K_L\to\pi^0\nu\bar{\nu}$崩壊を20%の精度で測定でき、新しいCP対称性の破れの源を特定し、新しい物理学モデルを区別できるか？
• RQ3 B崩壊におけるレプトンフラバー不変性の破れは、第3世代の結合を通じて$K\to\pi\nu\bar{\nu}$の崩壊率の増幅とどの程度関連しているか？
• RQ4 異常に高い$K\to\pi\nu\bar{\nu}$分岐比の観測が、ダークスカラー$X$のような隠れたセクターの粒子の証拠となるか？
• RQ5 $K_L\to\pi^0\ell^+\ell^-$崩壊の分岐比を測定することで、ユニタリティトライアングルを過剰に制約し、新しい物理学効果を明らかにできるか？

主な発見

• NA62は、${\rm BR}(K^{+}\to\pi^{+}\nu\bar{\nu})=(11.0^{+4.0}_{-3.5}\pm 0.3)\times 10^{-11}$を測定し、この稀な崩壊に対して初めて有意な証拠（3σ以上）を示した。
• 2016–2018年と2018年のNA62の統合データは、標準模型と整合的であり、以前のE787/E949の上限を改善した。
• KOTOは、$K_L\to\pi^0\nu\bar{\nu}$について、予備的な1イベント感度が$7.1\times 10^{-10}$に達し、背景が$1.05\pm 0.28$イベントの条件下で3件の候補事象を観測した。
• 2021–2024年のデータ収集に従い、NA62のイン・フライト技術を応用して、$K^+\to\pi^+\nu\bar{\nu}$の精度を10%まで向上させる計画である。
• KLEVERプロジェクトは、ビームラインの延長と結晶を用いた光子抑制技術を用いて、$K_L\to\pi^0\nu\bar{\nu}$を20%の精度で測定することを目的として設計されている。
• NA62とKOTOの精度の組み合わせに加え、本CERN計画により、両崩壊の合計不確実性を15%未満にまで低下させることを目標としている。