[論文レビュー] Study of tau-neutrino production at the CERN SPS

S. Aoki, A. Ariga+17 more|arXiv (Cornell University)|Aug 29, 2017

Particle Detector Development and Performance参考文献 6被引用数 7

ひとこと要約

本論文は、CERN SPSにおけるDsTau実験を提案し、高エネルギー陽子衝突を用いて$D_s$中間子の微分的生成断面積を測定することを目的としている。ナノメトリック精度のエマルジョン検出器を用いて、$D_s \to \tau\nu_\tau$および$\tau \to \nu_\tau X$崩壊の二重キーン構造を同定する。その目的は、$\nu_\tau$の電弱断面積測定における系統的不確かさを低減することにあり、これはレプトンユニバーサリティの検証や、将来的な$\nu_\tau$実験（例：SHiP）の実現に不可欠である。本研究では、トポロジー再構築により$D_s$生成率および分岐比を高精度で特定することで、$D_s$生成断面積の正確な決定を図る。

ABSTRACT

The DsTau project proposes to study tau-neutrino production in high-energy proton interactions. The outcome of this experiment are prerequisite for measuring the $ν_τ$ charged-current cross section that has never been well measured. Precisely measuring the cross section would enable testing of lepton universality in $ν_τ$ scattering and it also has practical implications for neutrino oscillation experiments and high-energy astrophysical $ν_τ$ observations. $D_s$ mesons, the source of tau neutrinos, following high-energy proton interactions will be studied by a novel approach to detect the double-kink topology of the decays $D_s ightarrow τν_τ$ and $τ ightarrowν_τX$. Directly measuring $D_s ightarrow τ$ decays will provide an inclusive measurement of the $D_s$ production rate and decay branching ratio to $τ$. The momentum reconstruction of $D_s$ will be performed by combining topological variables. This project aims to detect 1,000 $D_s ightarrow τ$ decays in $2.3 imes 10^8$ proton interactions in tungsten target to study the differential production cross section of $D_s$ mesons. To achieve this, state-of-the-art emulsion detectors with a nanometric-precision readout will be used. The data generated by this project will enable the $ν_τ$ cross section from DONUT to be re-evaluated, and this should significantly reduce the total systematic uncertainty. Furthermore, these results will provide essential data for future $ν_τ$ experiments such as the $ν_τ$ program in the SHiP project at CERN. In addition, the analysis of $2.3 imes 10^8$ proton interactions, combined with the expected high yield of $10^5$ charmed decays as by-products, will enable the extraction of additional physical quantities.

研究の動機と目的

• CERN SPSにおける高エネルギー陽子-陽子衝突における$D_s$中間子の微分的生成断面積を測定し、$\nu_\tau$断面積計算の重要な入力とする。
• 現在50％を超える系統的不確かさに起因する$\nu_\tau$電弱断面積測定の不確実性を低減する。これは$D_s$生成に関する知識の不足に起因する。
• $\nu_\tau$散乱におけるレプトンユニバーサリティの検証を可能にするために、$\nu_\tau$断面積の高精度測定を実現する。
• 将来的な$\nu_\tau$実験（CERNにおけるSHiP計画を含む）に不可欠なデータを提供する。
• データセットに含まれる$10^5$個のcharm中間子崩壊生成物から、追加の物理的量を抽出する。

提案手法

• ナノメトリック精度の読み取りを備えた最新鋭のエマルジョン検出器を用い、$D_s \to \tau\nu_\tau$および$\tau \to \nu_\tau X$崩壊の二重キーン構造を検出する。
• 再構築された崩壊頂点およびトラックセグメントからのトポロジー変数を組み合わせることで、$D_s$中間子の運動量を再構築する。
• 核破片の存在を要件としないことで、ハドロン相互作用に起因するバックグラウンドを低減する専用のスキャン手順を適用する。
• タングステン標的に$2.3 \times 10^8$個の陽子衝突を照射し、3回のランに分けてビーム時間を割り当てた。
• 高密度（約$10^5$トラック/cm²）でのトラックセグメントスキャンを可能にする高精度読み取りシステム（HTS）を用い、希少な崩壊トポロジーの再構築を実現する。
• ビーム強度駆動制御およびターゲット移動装置の速度調整を実装し、均一な露出を維持し、陽子スパイル分布の非均一性を最小限に抑える。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 CERN SPSにおける高エネルギー陽子衝突における$D_s$中間子の微分的生成断面積は何か？
• RQ2 エマルジョン検出器を用いたトポロジー再構築により、$D_s \to \tau\nu_\tau$崩壊の分岐比はどの程度の精度で測定可能か？
• RQ3 $D_s$生成に関する知識の向上によって、$\nu_\tau$電弱断面積の系統的不確かさはどの程度低減可能か？
• RQ4 ナノメトリック精度を持つエマルジョン検出器で、$D_s \to \tau\nu_\tau$および$\tau \to \nu_\tau X$崩壊の二重キーン構造を信頼性高く同定できるか？
• RQ5 $2.3 \times 10^8$個の陽子衝突において、$D_s$崩壊および生成物（例：$10^5$個のcharm崩壊）の生成率は何か？また、それらは追加の物理的測定に利用可能か？

主な発見

• 本実験では、$2.3 \times 10^8$個の陽子衝突において1,000件の$D_s \to \tau$崩壊を検出することを目的としており、$D_s$生成率および$\tau$崩壊分岐比の直接的インクルーシブ測定が可能となる。
• ビームテストで$3 \times 10^5$個の陽子/スパイルを用いた実験で、約30,000件の陽子衝突が再構築され、150件の候補イベント（$D_s$崩壊に類似）が同定された。
• 飛行長が3.73 mm、キーン角が66 mrad、インパクトパラメータが256 $\mu$mの候補イベントが観測され、予想される$D_s$崩壊の特徴と一致した。
• ビーム強度制御およびターゲット移動装置速度の最適化により、均一な露出が達成され、X位置分布に著しい非均一性は認められなかった。
• 368枚のモジュールにわたる総効果的ビーム時間は16日間と推定され、1モジュールあたり約1時間のスキャンを要する。ビーム時間は3回のランに分けられ、段階的最適化が可能となる。
• 初回ラン（5日間）の解析は、3年以内に出版可能な結果をもたらす見込みであり、その後のランでは既に確立された解析フレームワークが活用される。