[논문 리뷰] HIKE, High Intensity Kaon Experiments at the CERN SPS

E. Cortina, J. Jerhot외 177명|arXiv (Cornell University)|2022. 11. 29.

Particle physics theoretical and experimental studies인용 수 12

한 줄 요약

HIKE는 CERN의 SPS에서 빈번한 케이온 붕괴, CP 위반, 그리고 새로운 물리 현상을 연구하기 위해 단계적이고 고정밀도의 프로그램을 제안한다. 이는 기존의 NA62 인프라와 검출기들을 활용한 빔 덤프 운영 방식을 통해 양성자 및 중성 케이온 빔을 이용하며, 미세하게 상호작용하는 입자와 높은 질량 스케일의 새로운 물리 현상에 대해 비례 없이 높은 감도를 확보하고자 한다.

ABSTRACT

A timely and long-term programme of kaon decay measurements at a new level of precision is presented, leveraging the capabilities of the CERN Super Proton Synchrotron (SPS). The proposed programme is firmly anchored on the experience built up studying kaon decays at the SPS over the past four decades, and includes rare processes, CP violation, dark sectors, symmetry tests and other tests of the Standard Model. The experimental programme is based on a staged approach involving experiments with charged and neutral kaon beams, as well as operation in beam-dump mode. The various phases will rely on a common infrastructure and set of detectors.

연구 동기 및 목표

• NA62와 NA48에서 축적된 40년 이상의 경험을 바탕으로 CERN SPS에서 장기적이고 고정밀도의 케이온 붕괴 측정 프로그램을 수행한다.
• 현재 실험들보다 향상된 감도를 통해 표준모형을 초월한 희귀 케이온 붕괴 과정, CP 위반, 그리고 새로운 물리 현상을 탐구한다.
• 빔 덤프 및 전용 검출 기술을 활용하여, 이전에 없었던 감도로 미세하게 상호작용하는 입자(FIPs)를 탐색한다.
• 10여 년 이상에 걸쳐 진전되는 단계적 실험 접근 방식을 개발하여 물리적 환경 변화에 대응하고 동시에 병행 사용자 접근을 가능하게 한다.
• 특히 ECN3 홀과 NA62 검출기들을 포함한 기존 인프라를 활용하여 최소한의 건설 공사로 비용을 절감하고 배치를 가속화한다.

제안 방법

• 고강도 프로톤 빔을 타겟에 조사하여 2차 상호작용을 통해 양성자 및 중성 케이온을 생성하고, 빔 덤프 모드를 통해 고복도 검출을 실현한다.
• 단계적 검출기 구성을 사용한다: 1단계는 전용 케이온 식별 시스템(KTAG), 빔 트래커, 그리고 버스팅 시스템을 포함하며, 2단계에서는 메인 전자기 캘리메터(MEC)를 추가하고, 3단계(KLEVER)에서는 13개의 추가적인 대각도 버스팅(LAV) 모듈을 추가한다.
• 기존의 NA62 검출기들을 재사용하고 업그레이드하며, LKr 캘리메터, 읽기 출력 시스템, 타이밍 검출기 등을 신규 읽기 출력 백엔드와 함께 구성하고 구성 요소를 재검토한다.
• 고급 검출 기술을 활용한다: 케이온 식별을 위한 MCP-PMTs, 입자 버스팅 및 타이밍 시스템을 위한 SiPMs, VetoCounter를 위한 시알라이트 섬유(SciFi), 그리고 핵반응 및 뮤온 검출을 위한 Shashlyk 캘리메터.
• 7개의 크로우펌프를 사용하여 약 10⁻⁶ mbar의 진공을 유지하며, 2021년에 이미 유지되고 있는 시스템을 활용하여 LKr 캘리메터 및 기타 검출기의 안정된 운영을 보장한다.
• 북부 지역 내 다른 실험들과의 호환성을 확보하기 위해 병행 운영을 통해 물리적 다양성과 자원 효율성을 극대화한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 HIKE 프로그램이 희귀 케이온 붕괴, 특히 CP 위반과 렙톤 형성 불변성의 위반을 탐색하는 데 대해 어떤 감도를 가지는가?
• RQ2 SPS에서의 빔 덤프 운영 방식을 어떻게 최적화하여 케이온 붕괴에서 기인한 장수명의 미세하게 상호작용하는 입자를 최대한 검출할 수 있는가?
• RQ3 희귀 붕괴 K⁺ → π⁺νν̄의 분포비율 측정에서 달성 가능한 정밀도는 무엇이며, 현재의 한계와 비교해 볼 때 어떻게 되는가?
• RQ4 3단계에 걸친 모듈식 검출기 업그레이드 방식을 통해 이론적 및 실험적 우선순위의 변화에 따라 감도를 유지하면서도 유연하게 적응할 수 있는가?
• RQ5 NA62 인프라를 확장하여 새로운 장기적인 케이온 물리 프로그램을 지원할 경우, 비용 및 기술적 실현 가능성은 어떠한가?

주요 결과

• HIKE의 1단계는 1회 스플릿당 1.2×10¹³개의 프로톤을 요구하며, 유효 부피 내 연간 약 2×10¹³개의 케이온 붕괴를 발생시킨다.
• 2단계는 중성 케이온과 트래킹을 포함하며, 1회 스플릿당 2×10¹³개의 프로톤을 요구하고, 연간 3.8×10¹³개의 케이온 붕괴를 목표로 하며, 예상 비용 5 MCHF의 메인 전자기 캘리메터(MEC)를 추가한다.
• 3단계(KLEVER)는 대각도 버스팅 시스템을 12개에서 25개 모듈로 확장하며, 13개의 추가 모듈을 추가하고 예상 비용 9 MCHF를 소요하며, 1단계의 총 검출기 비용은 22.3 MCHF, 전체 프로그램의 총 비용은 36.8 MCHF이다.
• 1단계 검출기의 총 비용은 22.3 MCHF로 추정되며, 주요 구성 요소로는 KTAG(0.5 MCHF), 빔 트래커(2.5 MCHF), LAV 모듈(8 MCHF)이 포함된다.
• LKr 캘리메터는 지속적인 냉각 유지로 계속 작동 가능하며, 읽기 출력 체인은 신규 백엔드와 함께 구형 구성 요소의 재검토를 통해 업그레이드된다.
• 장기 정지 4(LS4) 이전에 건설 공사가 필요 없으며, 최소한의 인프라 변경과 기존 전기 및 냉각 시스템과의 호환성을 통해 총 비용과 위험을 감소시킨다.