[論文レビュー] An Overview of the COMET Experiment and its Recent Progress

B. Krikler|arXiv (Cornell University)|Dec 29, 2015

Particle Detector Development and Performance被引用数 11

ひとこと要約

COMET実験は、J-PARCでパルス型陽子ビームを用いて低エネルギーのミューオンビームを生成し、アルミニウムにおける共鳴ミューオンから電子への変換を通じて、電荷を帯びたレプトンのフレーバー不変性の破れを探索することを目的としている。2018年に開始されるフェーズIのデータ取得を皮切りに、この過程に対する感度を4桁向上させ、単一事象感度を$3 \times 10^{-15}$まで達成する計画であり、その後フェーズIIに移行して$3 \times 10^{-17}$の感度目標を達成する。

ABSTRACT

Forbidden in the Standard Model, Charged Lepton Flavour Violation is a strong probe for New Physics. The COMET Experiment will measure one of these processes: that of COherent Muon to Electron Transitions, where a muon converts to an electron in the presence of a nucleus without the emission of any neutrinos. COMET aims to improve the current limit on this process by four orders of magnitude. Being built in two phases at J-PARC, Tokai, Japan, COMET will first take data in 2018, where it should achieve a factor 100 improvement. This report gives an overview of $μ$-$e$ conversion and the COMET experiment as well as a summary of the recent progress in construction and design.

研究の動機と目的

• 標準模型では禁じられているが、新しい物理学に敏感な、共鳴ミューオンから電子への変換を通じた電荷を帯びたレプトンのフレーバー不変性の破れ（CLFV）を探索すること。
• 現在のミューオンから電子への変換の実験的制限を、SINDRUM-IIの$7 \times 10^{-13}$の限界をはるかに上回る4桁の向上を達成すること。
• J-PARCでの二段階の実験的手法を用いてこの目標を達成すること。フェーズIは2018年にデータ取得を開始する。
• パルスビームのタイミング、専用検出器、高度な粒子識別技術を用いて背景を最小限に抑えること。
• COMETのシミュレーションチェーンで用いられる物理モデルの妥当性を、PSIおよび東北大学でのAlCap実験およびビームテストのデータを用いて検証すること。

提案手法

• J-PARCの8 GeVパルス型陽子ビームを用いて二次生成のパイオンとミューオンを生成し、逆方向にパイオンとミューオンを集束して、低エネルギーで良好にコherentなミューオンビームを形成する。
• 湾曲したソレノイドと調整された電磁界を用いてミューオンを指向し、低原子番号（Z）のアルミニウム標的に集束させ、信号の共鳴増幅を最大化する。
• フェーズIでは2検出器システムを採用：ストロングトラッカーでミューオンの軌跡を追跡し、コールドロメータで電子を識別する。時間分解能を活用して背景を抑制する。
• 864 nsのミューオン原子の寿命を利用し、遅延時間による検出ウィンドウを設けることで、ビーム関連の背景を排除する。
• Geant4ベースのソフトウェアを用いて実験全体をシミュレートし、ミューオンの束縛、崩壊スペクトル、磁場の最新モデルを組み込む。
• PSIおよび東北大学でのビームテストを通じて、粒子識別技術と検出器プロトタイプの妥当性を検証し、その結果をシミュレーションにフィードバックする。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 COMET実験の共鳴ミューオンから電子への変換に対する感度はどの程度で、現在のSINDRUM-IIの限界と比較するとどうなるか？
• RQ2 信号率が$10^{-15}$未満の稀な過程において、背景抑制を最大限に高める方法は何か？
• RQ3 8 GeVの陽子エネルギー下での逆方向へのミューオン生成率とビーム輸送に関する主な不確実性は何か。それらはどのように是正されているか？
• RQ4 束縛ミューオンの崩壊スペクトルはどの程度正確にモデル化可能か。これにより信号および背景のシミュレーションにどのような影響を与えるか？
• RQ5 AlCap実験は、COMETのシミュレーションチェーンで用いられる物理モデルの妥当性を検証する上で果たす役割は何か？

主な発見

• COMETフェーズIは、単一事象感度（SES）が$3 \times 10^{-15}$に達すると予想されており、これは現在の限界に対して100倍の向上に相当する。
• フェーズIIでは、SESが$3 \times 10^{-17}$に達する予定であり、SINDRUM-IIの$7 \times 10^{-13}$の限界を4桁上回る感度向上を達成する。
• PSIでのビームテストは、ECALを用いた新しい粒子識別法の有効性を成功裏に示し、主要なPID技術の妥当性を検証した。
• CDC（ドリフトチェンバー）のワイヤーストリング作業は11月に完了し、ワイヤーの張力測定が進行中であり、検出器の準備状況を支援している。
• COMETソフトウェアは4月に初の安定版リリースに達し、大規模な2つのシミュレーション生産と完全なジオメトリ統合を可能にした。
• フェーズII用に更新された磁場マップがシミュレーションに組み込まれ、ビームラインおよび検出器モデルの精度が向上した。