[논문 리뷰] Rare decays at the CERN high-intensity kaon beam facility

NA Collaboration, KLEVER Collaboration|arXiv (Cornell University)|2020. 09. 23.

Particle physics theoretical and experimental studies인용 수 4

한 줄 요약

이 논문은 CERN의 SPS에서 고강도 케톤 물리 프로그램을 제안하며, 업그레이드된 NA62와 KLEVER 실험을 통해 $K^+\to\pi^+\nu\bar{\nu}$와 $K_L\to\pi^0\nu\bar{\nu}$의 희귀 케톤 붕괴를 각각 5% 및 20% 정밀도로 측정한다. 이러한 측정은 표준모형을 초월한 새로운 물리학, 즉 렙톤-플레이벌 위반과 숨겨진 세트 입자들을 탐색하는 데 목적이 있으며, 고도로 발전한 검출기와 비드라인 업그레이드를 활용하여 총 정밀도를 15% 미만으로 달성한다.

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 $K_L oπ^0\ell^+\ell^-$.

연구 동기 및 목표

• 희귀 케톤 붕괴 $K^+\to\pi^+\nu\bar{\nu}$와 $K_L\to\pi^0\nu\bar{\nu}$의 분해비를 고정밀도로 측정하여 CKM 유니타리티를 시험하고 새로운 물리학을 탐색한다.
• 희귀 붕괴율의 편차를 통해 렙톤-플레이벌 유니버설리티 위반과 숨겨진 세트 입자를 탐색한다.
• 업그레이드된 검출기와 고강도 비드라인을 사용하여 $K^+\to\pi^+\nu\bar{\nu}$에 대해 5% 정밀도, $K_L\to\pi^0\nu\bar{\nu}$에 대해 20% 정밀도를 달성한다.
• 검출기 재구성으로 인한 양성자 끝 상태를 위한 보조 측정, 즉 $K_L\to\pi^0\ell^+\ell^-$ 및 기타 이국적 붕괴를 가능하게 한다.
• 업그레이드된 비드라인과 검출기 기술을 활용해 CERN의 SPS에서 장기적이고 다단계 실험 프로그램을 지원한다.

제안 방법

• 연간 최대 $10^{19}$개의 프로톤을 타겟에 도핑하는 400-GeV/c의 고강도, 저속 추출 비드라인을 사용하여 고빈도의 케톤 비드라인을 생성한다.
• 다단계 실험 접근법을 구현: 먼저 5% 정밀도로 $K^+\to\pi^+\nu\bar{\nu}$를 측정하고, 그 다음 KLEVER 프로젝트를 통해 $K_L\to\pi^0\nu\bar{\nu}$를 20% 정밀도로 측정한다.
• 빔과 부수 입자를 추적하기 위해 LGAD 또는 3D 픽셀 센서를 사용하는 50 ps 시간 해상도를 가진 기가트래커를 포함한 고도로 발전한 검출기를 구현한다.
• 고빈도 환경에서 채널링 기반 입자 식별을 위해 초고속 단일 광자 검출기(20 ps 타이밍)를 통합한다.
• 약 6 ns 시간 해상도를 가진 얇은 벽, 좁은 간격(5 mm)의 진공 작동 스트로우 튜브를 부수 입자 추적에 사용한다.
• 정렬된 결정에서의 일관된 광자 변환을 적용하여 고에너지 광자를 억제하고, $K_L$ 붕괴에서 작은 각도의 광자를 위한 경고 효율을 향상시킨다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 CKM 유니타리티를 시험하고 수백 테바볼트 수준의 새로운 물리학 스케일을 탐색하기 위해 $K^+\to\pi^+\nu\bar{\nu}$의 분해비를 5% 정밀도로 측정할 수 있는가?
• RQ2 $K_L\to\pi^0\nu\bar{\nu}$ 붕괴를 20% 정밀도로 측정할 수 있는가? 이를 통해 새로운 CP 위반 원인을 탐색하고 다양한 새로운 물리학 모델을 구분할 수 있는가?
• RQ3 $B$ 붕괴에서의 렙톤-플레이벌 유니버설리티 위반은 제3세대 결합을 통해 $K\to\pi\nu\bar{\nu}$ 비율의 증가와 어떻게 연결될 수 있는가?
• RQ4 이상하게 높은 $K\to\pi\nu\bar{\nu}$ 분해비 관측이 어두운 스칼라 $X$와 같은 숨겨진 세트 입자의 존재 증거가 될 수 있는가?
• RQ5 $K_L\to\pi^0\ell^+\ell^-$ 붕괴 분해비를 측정하여 유니타리티 삼각형을 과잉 제약하고 새로운 물리학 효과를 드러낼 수 있는가?

주요 결과

• NA62는 ${\rm BR}(K^{+}\to\pi^{+}\nu\bar{\nu})=(11.0^{+4.0}_{-3.5}\pm 0.3)\times 10^{-11}$를 측정하였으며, 이는 이러한 희귀 붕괴에 대해 처음으로 통계적으로 의미 있는 증거(>3σ)를 제공한다.
• 2016–2018년과 2018년의 NA62 통합 데이터는 표준모형과 일치하며 이전의 E787/E949의 제약을 향상시킨다.
• KOTO는 $K_L\to\pi^0\nu\bar{\nu}$에 대해 예비 단일 이벤트 감도 $7.1\times 10^{-10}$을 달성했으며, 배경가 $1.05\pm 0.28$ 이벤트인 3개의 후보 이벤트를 관측했다.
• 2021–2024년 동안 수집된 데이터를 바탕으로 이 프로그램은 $K^+\to\pi^+\nu\bar{\nu}$에 대해 10% 정밀도에 도달할 것을 목표로 한다. 이는 NA62의 비행 중 기술을 따르는 것이다.
• KLEVER 프로젝트는 비드라인 연장과 결정 기반 광자 억제를 사용하여 $K_L\to\pi^0\nu\bar{\nu}$를 20% 정밀도로 측정하도록 설계되어 있다.
• NA62와 KOTO의 정밀도를 통합하고, 이 CERN 프로그램을 추가함으로써 두 희귀 붕괴의 총 불확실도를 15% 이하로 낮출 수 있을 것이다.