[논문 리뷰] The NA62 experiment at CERN: status and perspectives

R. Fantechi|arXiv (Cornell University)|2014. 07. 30.

Particle physics theoretical and experimental studies인용 수 12

한 줄 요약

CERN의 NA62 실험은 75 GeV/c 카이온 비드를 사용하고, 높은 효율성의 트리거 및 입자 식별 시스템을 통해 두 해 동안 약 100개의 신호 사건을 수집함으로써, 초희귀 $K^{+}\rightarrow\pi^{+}\nu\overline{\nu}$ 붕괴의 분지비를 10% 정밀도로 측정하고자 한다. 실험은 배경 억제 요소를 $10^{12}$로 달성하여, 표준모형을 초월한 새로운 물리학의 민감한 검증이 가능하다.

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.

연구 동기 및 목표

• 표준모형을 초월한 새로운 물리학에 대한 민감한 테스트를 가능하게 하기 위해, 초희귀 $K^{+}\rightarrow\pi^{+}\nu\overline{\nu}$ 붕괴의 분지비를 10% 정밀도로 측정하는 것.
• 주로 $K^{+}\rightarrow\mu^{+}\nu$ 및 $K^{+}\rightarrow\pi^{+}\pi^{0}$와 같은 주요 카이온 붕괴 모드가 존재하는 상황에서, 희귀 신호를 분리하기 위해 배경 억제 요소를 $10^{12}$로 달성하는 것.
• 매년 $4.5\cdot10^{12}$개의 카이온 붕괴를 유도하기 위해 고강도 75 GeV/c 카이온 비드 ($\sim3\cdot10^{12}$ 프로톤/펄스)를 활용하여 측정에 필요한 통계적 데이터를 확보하는 것.
• 병행된 데이터 수집을 통해 레프톤-플레처 비반화, 레프톤 수량 비반화, 그리고 카이랄 양자역학 이론(ChPT) 과정을 포함한 다른 희귀 카이온 붕괴에 대한 감도를 연장하는 것.

제안 방법

• 매년 $4.5\cdot10^{12}$개의 카이온 붕괴를 유도하기 위해 1%의 운동량 범위를 가진 75 GeV/c 카이온 비드를 사용하여 희귀 붕괴에 필요한 충분한 통계적 데이터 확보.
• 입자 식별 시스템(예: RICH 검출기, 지가트래커, 중성미온 억제 장치 포함)을 갖춘 고속도 비드 라인을 활용하여 신호와 배경을 구분하는 것.
• L0 및 L1 트리거를 포함한 다단계 트리거 시스템을 도입하여, 특히 $K^{+}\rightarrow\pi^{+}\nu\overline{\nu}$에 대해 높은 효율성과 낮은 배경을 확보하는 것.
• 포톤 억제 검출기와 중성미온 식별 장치를 사용하여, 편도 및 중성미온 운동량의 운동학적 절단 조건을 활용해 $K^{+}\rightarrow\pi^{+}\pi^{0}$ 및 $K^{+}\rightarrow\mu^{+}\nu$ 붕괴를 억제하는 것.
• 다중 산란과 비드-기체 상호작용을 최소화하기 위해 80m 길이, $10^{-6}$ mbar 압력의 진공 붕괴 공간을 설치하는 것.
• 고대역폭 읽기 시스템과 PC 팜을 도입하여 실시간 데이터 처리를 수행하고, LKr 칼로리미터 및 LAV와 같은 검출기의 캘리브레이션을 수행하는 것.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 표준모형의 분지비가 $7.81\cdot10^{-11}$일 때, $K^{+}\rightarrow\pi^{+}\nu\overline{\nu}$의 분지비를 10% 정밀도로 측정할 수 있는가? 이를 통해 표준모형을 초월한 새로운 물리학에 대한 민감한 검증이 가능한가?
• RQ2 NA62 검출기가 $K^{+}\rightarrow\pi^{+}\nu\overline{\nu}$ 신호를 주요 $K^{+}$ 붕괴 모드들(예: $K^{+}\rightarrow\mu^{+}\nu$, $K^{+}\rightarrow\pi^{+}\pi^{0}$)로부터 분리하기 위해 달성할 수 있는 배경 억제 수준은 어느 정도인가?
• RQ3 NA62가 레프톤-플레처 비반화 및 레프톤 수량 비반화 과정과 같은 다른 희귀 카이온 붕괴에 대해 기대할 수 있는 감도는 무엇이며, 현재의 한계에 비해 얼마나 향상되는가?
• RQ4 다단계 트리거 시스템이 높은 비율의 배경을 거부하면서도 희귀 신호 사건을 효율적으로 선택하는 데 얼마나 효과적인가?
• RQ5 2014년 말까지 검출기의 완전한 캘리브레이션과 첫 번째 물리 데이터 수집을 달성할 수 있는가? 특히 성능 검증을 위해 감소된 강도로 첫 번째 런을 수행할 수 있는가?

주요 결과

• 표준모형의 분지비 $7.81\cdot10^{-11}$에서 NA62 실험은 매년 약 45개의 신호 사건을 수집할 것으로 예상된다.
• 배경 수준은 연간 10건 이하로 추정되며, 주요 기여는 $K^{+}\rightarrow\pi^{+}\pi^{0}\gamma$ (연간 1.5건) 및 $K^{+}\rightarrow\mu^{+}\nu\gamma$ (연간 0.5건)이다.
• 검출기는 입자 식별 및 운동학적 절단 조건을 통해 $10^{12}$의 배경 억제 요소를 달성하여, 희귀 신호의 분리를 가능하게 한다.
• SPS 비드를 사용한 첫 번째 물리 런은 2014년 10월 중순에서 12월 중순 사이에 예정되어 있으며, 검출기 캘리브레이션과 성능 검증을 위해 감소된 비드 강도를 사용할 예정이다.
• 2015년 이후로 $K^{+}\rightarrow\pi^{+}\nu\overline{\nu}$ 측정을 위한 전체 데이터셋을 확보할 것으로 예상되며, 이로써 10% 정밀도 목표에 도달할 것이다.
• NA62는 $\pi^{+}\mu^{+}e^{-}$ 및 $\mu^{-}\nu e^{+}e^{+}$와 같은 희귀 붕괴 모드에 대해 감도를 최대 한 단계 향상시킬 것으로 기대되며, 한계는 $10^{-12}$ 수준까지 도달할 것이다.