[논문 리뷰] KLEVER: An experiment to measure BR($K_L oπ^0ν\barν$) at the CERN SPS

F. Ambrosino, R. Ammendola외 76명|arXiv (Cornell University)|2019. 01. 10.

Particle physics theoretical and experimental studies인용 수 12

한 줄 요약

KLEVER는 CERN의 SPS에서 고에너지 중성 비드를 이용해 고정밀도로 희귀 중성 카이온 붕괴 $K_L \to \pi^0\nu\bar{\nu}$ 를 측정하는 것을 제안한다. 운동량 보정과 고도의 비트 시스템을 활용하여 신호-배경 분리 성능을 향상시키며, 분해비율에 대해 약 20%의 감도를 확보하여 표준모형을 초월한 새로운 물리학의 핵심적 테스트를 실현한다.

ABSTRACT

Precise measurements of the branching ratios for the flavor-changing neutral current decays $K oπν\barν$ can provide unique constraints on CKM unitarity and, potentially, evidence for new physics. It is important to measure both decay modes, $K^+ oπ^+ν\barν$ and $K_L oπ^0ν\barν$, since different new physics models affect the rates for each channel differently. The goal of the NA62 experiment at the CERN SPS is to measure the BR for the charged channel to within 10%. For the neutral channel, the BR has never been measured. We are designing the KLEVER experiment to measure BR($K_L oπ^0ν\barν$) to $\sim$20% using a high-energy neutral beam at the CERN SPS starting in LHC Run 4. The boost from the high-energy beam facilitates the rejection of background channels such as $K_L oπ^0π^0$ by detection of the additional photons in the final state. On the other hand, the layout poses particular challenges for the design of the small-angle vetoes, which must reject photons from $K_L$ decays escaping through the beam exit amidst an intense background from soft photons and neutrons in the beam. Background from $Λ o nπ^0$ decays in the beam must also be kept under control. We present findings from our design studies for the beamline and experiment, with an emphasis on the challenges faced and the potential sensitivity for the measurement of BR($K_L oπ^0ν\barν$).

연구 동기 및 목표

• 실험적으로 측정된 바가 없는 희귀 중성 카이온 붕괴 $K_L \to \pi^0\nu\bar{\nu}$ 의 분해비율을 측정하는 것.
• 플라버-변환 중성 전류 붕괴의 정밀 측정을 통해 표준모형을 초월한 새로운 물리학을 탐색하는 것.
• NA62의 $K^+ \to \pi^+\nu\bar{\nu}$ 측정을 보완하기 위해, 다른 새로운 물리 기여에 민감한 $K_L$ 모드를 측정하는 것.
• 분해비율에 대해 약 20%의 감도를 확보하여, CKM 유니타리 검증과 새로운 물리 모형의 비판적 테스트를 가능하게 하는 것.
• 최적화된 비드라인 및 검출기 설계를 통해 $K_L \to \pi^0\pi^0$, $\Lambda \to n\pi^0$, 그리고 비드 관련 배경 문제를 해결하는 것.

제안 방법

• CERN SPS에서 고에너지 중성 카이온 비드를 이용해 $K_L$ 붕괴를 운동량 보정함으로써, 추가 광자를 탐지함으로써 주요 $K_L \to \pi^0\pi^0$ 배경과의 분리 성능을 향상시키는 것.
• 소각도 비트 시스템을 도입하여 비드 출구를 통과하는 $K_L$ 붕괴에서 발생하는 광자를 제거함으로써, 연약한 광자와 중성자를 유발하는 배경을 완화하는 것.
• $\pi^0$ 의 $p_\perp$ 와 $\theta$ 대 $p$ 에 대한 운동량 절단을 적용하여, $p^* = 104$ MeV 인 잔여 $\Lambda \to n\pi^0$ 배경을 억제하는 것.
• 1 GHz까지의 FADC를 사용하는 자유 주행, 연속 디지털링 읽기 시스템을 도입하여 사각지대 없이 소프트웨어 기반 트리거 및 배경 제거를 가능하게 하는 것.
• SAC 검출기에서 최대 100 GB/s의 고속 데이터를 처리하기 위해, TDC 기반 타임스탬프(100 ps 해상도), 광학 GBT 링크, FPGA/GPU 기반 사전처리를 포함한 다층 읽기 아키텍처를 설계하는 것.
• FLUKA 및 오프라인 분석 도구를 사용한 포괄적인 시뮬레이션 연구를 수행하여, 배경 억제 및 신호 식별의 유효성을 검증하는 것.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 SPS에서 고에너지 중성 비드를 사용하여 $K_L \to \pi^0\nu\bar{\nu}$ 분해비율을 약 20% 정밀도로 측정할 수 있는가?
• RQ2 운동량 및 기하학적 기법을 통해 $K_L \to \pi^0\pi^0$ 와 $\Lambda \to n\pi^0$ 배경은 얼마나 효과적으로 억제될 수 있는가?
• RQ3 자유 주행, 고대역폭 읽기 시스템이 SAC에서 예상되는 데이터 속도(>100 GB/s)를 사각지대 없이 또는 방사선 유도 오염 없이 처리할 수 있는가?
• RQ4 비드-가스 상호작용, 복사 붕괴, 중성 비드 홀로의 영향이 최종 감도에 미치는 영향은 무엇인가?
• RQ5 비드라인 설계, 신뢰 영역 선택, 검출기 최적화를 조합하여 신호-배경 비율을 약 1로 향상시킬 수 있는가?

주요 결과

• KLEVER 실험은 $K_L \to \pi^0\nu\bar{\nu}$ 분해비율에 대해 약 20%의 감도를 확보하도록 설계되어 있으며, 이는 표준모형과 새로운 물리 모형에 대한 핵심적 테스트를 가능하게 한다.
• 고에너지 비드는 운동량 보정을 통해 최종 상태의 추가 광자를 탐지할 수 있도록 하여, $K_L \to \pi^0\pi^0$ 배경 억제에 효과적이다.
• 운동량 절단($p_\perp$ 와 $\theta$ 대 $p$)을 통해 $p^* = 104$ MeV 인 잔여 $\Lambda \to n\pi^0$ 배경은 수십만 배 이상 감소시킬 수 있다.
• 초기 연구 결과에 따르면, 100 MHz 이벤트율과 100 ps 타이밍 해상도를 갖는 자유 주행 읽기 시스템은 SAC 검출기에서 실현 가능하며, 소프트웨어 기반 트리거 및 배경 제거를 가능하게 한다.
• SAC에서의 데이터 흐름은 약 100 GB/s로 추정되며, 이에 대응하기 위해 PCIe40 또는 FELIX 기반 보드와 함께 FPGA 사전처리가 필요한 고급 읽기 솔루션을 요구한다.
• 세부적인 FLUKA 모델링을 통한 포괄적 시뮬레이션(중성 비드 홀로 포함)이 진행 중이며, 이는 배경 억제 및 신호 식별의 유효성을 검증하는 데 기여하고 있다.