[論文レビュー] The NA62 experiment at CERN: status and perspectives

R. Fantechi|arXiv (Cornell University)|Jul 30, 2014

Particle physics theoretical and experimental studies被引用数 12

ひとこと要約

CERNのNA62実験は、75 GeV/cのカリウムビームと高効率なトリガーおよび粒子識別システムを用いて、2年間で約100件の信号イベントを収集することで、$K^{+}\rightarrow\pi^{+}\nu\overline{\nu}$崩壊の分岐比を10%の精度で測定することを目的としている。この実験では、背景を$10^{12}$に抑制することで、標準模型を超える新しい物理学の感受性の高いテストが可能となる。

ABSTRACT

The NA62 experiment at CERN will measure the branching ratio of the K+ -> pi+ nu nubar decay with a precision of 10%, collecting about 100 events in two years of run. This paper will review the design of the experiment, the strategy for the measurement and the actual status of the installation. Prospects for the data collection and for the measurement of other rare K+ channels will be presented.

研究の動機と目的

• 標準模型を超える新しい物理学の感受性の高いテストとなる、超レアな$K^{+}\rightarrow\pi^{+}\nu\overline{\nu}$崩壊の分岐比を10%の精度で測定すること。
• $K^{+}\rightarrow\mu^{+}\nu$ や $K^{+}\rightarrow\pi^{+}\pi^{0}$ といった主要な$K^{+}$崩壊モードに覆われる中で、レアな信号を分離するために、$10^{12}$の背景抑制要因を達成すること。
• 年間$4.5\cdot10^{12}$件のカリウム崩壊を提供する高強度の75 GeV/cカリウムビーム（$\sim3\cdot10^{12}$プロトン/パルス）を用いることで、測定に必要な統計的精度を確保すること。
• 並行してデータ収集を行うことで、レプトンフラバー違反、レプトン数違反、およびちくる摂動理論（ChPT）プロセスを含む他のレアカリウム崩壊への感度を拡大すること。

提案手法

• 1%のエネルギービットを有する75 GeV/cのカリウムビームを用い、年間$4.5\cdot10^{12}$件のカリウム崩壊を提供することで、稀な崩壊の統計的精度を確保すること。
• 粒子識別システム（RICH検出器、Gigatracker、ミューオン遮断システムを含む）を備えた高レートビームラインを採用し、信号と背景を区別すること。
• L0およびL1トリガーを含む多段階トリガー系を導入し、特に$K^{+}\rightarrow\pi^{+}\nu\overline{\nu}$に対して高い効率と低い背景を実現すること。
• 光子遮断検出器およびミューオン識別器を用いて、パイオンおよびミューオンの運動量に特化した運動学的カットを適用することで、$K^{+}\rightarrow\pi^{+}\pi^{0}$および$K^{+}\rightarrow\mu^{+}\nu$崩壊をそれぞれ抑制すること。
• 多重散乱およびビームガス相互作用を最小限に抑えるために、80 mの長さ、$10^{-6}$ mbarの真空崩壊空間を設置すること。
• 高帯域幅の読み出しシステムおよびPCファームを導入し、LKrコロリメーターやLAVなどの検出器のリアルタイムデータ処理およびコンmissioningを実施すること。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 標準模型を超える新しい物理学の感受性の高いテストが可能となるように、$K^{+}\rightarrow\pi^{+}\nu\overline{\nu}$の分岐比を10%の精度で測定できるか？
• RQ2 NA62検出器が、$K^{+}\rightarrow\mu^{+}\nu$ や $K^{+}\rightarrow\pi^{+}\pi^{0}$ といった主要な$K^{+}$崩壊モードから$K^{+}\rightarrow\pi^{+}\nu\overline{\nu}$信号を分離するために、どの程度の背景抑制が達成可能か？
• RQ3 レプトンフラバー違反やレプトン数違反プロセスを含む、他のレアカリウム崩壊に対するNA62の期待感度は何か？現在の制限に比べてどの程度向上するか？
• RQ4 多段階トリガー系は、高レートの背景を効率的に排除しながら、稀な信号イベントをどの程度効果的に選別できるか？
• RQ5 2014年後半までに検出器の完全なコンmissioningおよび最初の物理データ収集を達成できるか？特に、性能を検証するための低強度での最初のランを実施できるか？

主な発見

• NA62実験では、標準模型の分岐比$7.81\cdot10^{-11}$に基づき、年間約45件の信号イベントが予想される。
• 背景レベルは年間10件未満と推定されており、主な寄与は$K^{+}\rightarrow\pi^{+}\pi^{0}\gamma$（1.5件/年）および$K^{+}\rightarrow\mu^{+}\nu\gamma$（0.5件/年）である。
• 検出器は、主に粒子識別および運動学的カットにより、$10^{12}$の背景抑制要因を達成しており、これにより稀な信号の分離が可能となっている。
• SPSビームを用いた最初の物理ランは、2014年10月中旬から12月上旬に予定されており、検出器のコンmissioningおよび性能の検証を目的として低強度で実施される。
• 2015年以降に$K^{+}\rightarrow\pi^{+}\nu\overline{\nu}$測定のための完全なデータセットが収集され、10%の精度目標に到達する見込みである。
• NA62は、$\pi^{+}\mu^{+}e^{-}$ や $\mu^{-}\nu e^{+}e^{+}$ などのレア崩壊モードに対して、感度を最大で1桁向上させ、制限を$10^{-12}$レベルまで達成する見込みである。