[論文レビュー] COMET - A submission to the 2020 update of the European Strategy for Particle Physics on behalf of the COMET collaboration

J. C. Angélique, C. Cârloganu+17 more|arXiv (Cornell University)|Dec 19, 2018

Particle physics theoretical and experimental studies参考文献 4被引用数 16

ひとこと要約

COMETは、日本のJ-PARCで実施されている段階的実験であり、ニュートリノモデルを超える新しい物理を探るため、ミューオン原子におけるミューオンから電子への変換を探索している。段階IIでは、1イベントあたりの感度を2.6×10⁻¹⁷に達成し、約10⁴ TeVのエネルギースケールまで新物理の探査が可能となる。さらに設計の最適化により、10⁻¹⁸まで感度を向上させる可能性も有する。

ABSTRACT

The search for charged lepton flavour violation (CLFV) has enormous discovery potential in probing new physics Beyond the Standard Model (BSM). Among the muonic CLFV processes, $μ o e$ conversion is one of the most important processes, having several advantages compared to other such processes. We describe the COMET experiment, which is searching for $μ o e$ conversion in a muonic atom at the J-PARC proton accelerator laboratory in Japan. The COMET experiment has taken a staged approach; the first stage, COMET Phase-I, is currently under construction at J-PARC, and is aiming at a factor 100 improvement over the current limit. The second stage, COMET Phase-II is seeking another 100 improvement (a total of 10,000), allowing a single event sensitivity (SES) of $2.6 imes 10^{-17}$ with $2 imes 10^{7}$ seconds of data-taking. Further improvements by one order of magnitude, which arise from refinements to the experimental design and operation, are being considered whilst staying within the originally-assumed beam power and beam time. Such a sensitivity could be translated into probing many new physics constructions up to $\mathcal{O}(10^{4})$ TeV energy scales, which would go far beyond the level that can be reached directly by collider experiments. The search for CLFV $μ o e$ conversion is thus highly complementary to BSM searches at the LHC.

研究の動機と目的

• 標準模型では禁じられているが、多くの新しい物理モデルで予測される、電荷を帯びるレプトンのフラバー違反（CLFV）をミューオンから電子への変換を通じて探査すること。
• 直接衝突機器の探査範囲をはるかに超える、O(10⁴) TeVスケールの新物理を探査すること。
• 2段階の実験的手法により、現在の実験的限界比に対して10,000倍の感度向上を達成すること。
• 特に、CLFVに木構造的寄与をもたらす新しい物理のシグネチャを別々に探査することで、LHC探索とは補完的なアプローチを提供すること。
• 放射性崩壊や半レプトン的過程を含む、さまざまなCLFV観測量の相関を用いて、新物理モデルの精密な区別を可能にすること。

提案手法

• J-PARCのプロトン加速器から得られる高強度ミューオンビームを用い、低原子番号（Z）の標的にミューオンを停止させ、ミューオン原子を形成する。
• 運動量選別とソレノイド磁場を備えたチューナブルなミューオン輸送ビームラインを用い、ミューオンを標的へ捕獲・誘導する。
• 高エネルギー分解能を持つ電子分光器に、能動的粒子識別機能を組み込み、中性粒子や誤った符号の電子によるバックグラウンドを効果的に排除する。
• 粒子識別、運動量フィルタリング、電磁カルシウム計測を組み合わせた段階的なバックグラウンド抑制戦略を採用する。
• 最適化された統計戦略を用いた大規模なモンテカルロシミュレーションにより、信号およびバックグラウンド率の効率的推定を実現する。
• 高レート環境に耐えうる高度なデータ取得およびトリガーシステムを導入し、高精度なイベント再構築を確保する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 ミューオン原子におけるミューオンから電子への変換を通じて、新物理の最大エネルギースケールはどれほど探査可能か？
• RQ2 段階IIの設計により、現在の限界から2桁の感度向上を達成するにはどのような手法が必要か？
• RQ3 さまざまな新物理モデルが、CLFV過程における木構造的寄与とループ的寄与の両方に果たす役割は何か？
• RQ4 観測量の相関を用いて、COMET実験はCLFVにおける光子的および非光子的媒介子を区別できるか？
• RQ5 PRISMプロジェクトで提案されたミューオンストレージリングを統合することで、将来的なCLFVおよびLNV測定における感度向上の可能性は何か？

主な発見

• COMET段階IIは、2×10⁷秒のデータ取得後、1イベントあたりの感度が2.6×10⁻¹⁷に達することを設計している。
• 実験は、O(10⁴) TeVスケールの新物理を探査することを目的としており、LHCの直接的探査範囲をはるかに上回る。
• 設計および運用上の最適化により、さらなる1桁の感度向上が可能であり、10⁻¹⁸まで到達する可能性がある。
• PRISMプロジェクトでは、位相回転型FFAGミューオンストレージリングを用い、バックグラウンド抑制を10⁻²⁰まで達成し、感度を10⁻¹⁹まで向上させられる。
• 欧州機関は、宇宙線遮断、カルシウム計測、データ取得、シミュレーションインfraの主要部品に貢献しており、国際的協力体制を強固に構築している。
• COMET共同研究グループには欧州からの参加が強く、メンバーの約1/3がヨーロッパから構成されており、将来のアップグレードに向けたシミュレーション、ソフトウェア、研究開発への継続的貢献が行われている。