[论文解读] Prospects for CP-violation searches in the future experiment with RF-separated K+/- beam at U-70

V. Obraztsov, L.G. Landsberg|CERN Bulletin|Nov 10, 2000

Particle physics theoretical and experimental studies被引用 5

一句话总结

本文提出在俄罗斯普罗特维诺的中国科学院高能物理研究所（IHEP）U-70质子同步加速器上开展OKA实验，利用高强度、RF分离的K±束流搜索CP破坏。通过利用欧洲核子研究中心（CERN）SPS加速器的超导RF偏转器，实验旨在实现每束流约4×10⁶ K⁺/K⁻的束流强度，从而实现对K⁺→μ⁺νπ⁰γ等稀有衰变中T-odd相关性的高灵敏度探测，有望探测标准模型之外的新物理，特别是在3HDM框架下。

ABSTRACT

The first description of the experimental program "OKA" with RF-separated K+/- beam at Protvino U-70 PS is presented. The parameters of the beam as well as the potential for CP-violation searches are discussed.

研究动机与目标

• 在普罗特维诺的U-70质子同步加速器上，利用来自CERN SPS的现有超导偏转器，开发并实现高强度、RF分离的K±束流。
• 实现对奇异夸克衰变中CP破坏的精确检验，特别是涉及光子和轻子的稀有衰变。
• 探索K→μνπ⁰γ衰变中的T-odd相关性，作为探测标准模型之外新物理的探针，特别是在3HDM框架下。
• 通过利用K⁺和K⁻束流的独特能力实现末态相互作用贡献的减法，从而实现对CP破坏效应的竞争力灵敏度。

提出的方法

• 利用原产于卡尔斯鲁厄-CERN的超导RF偏转器（在1.8–2.5 K温度下运行），通过动量依赖的相移实现对K±与π和p的分离。
• 设计一条长200 m、偏转器间距76.3 m的束流线，使Kaons实现180°相移，而Pions实现360°相移，从而选择性地传输K±。
• 设计束流能量为12.5 GeV或18 GeV，每脉冲10¹³个质子，占空比为2/9 s，每束流产生约4×10⁶ K⁺/K⁻。
• 利用K±束流测量K→μνπ⁰γ衰变中T-odd相关性，如Tπμγ = [pγ·(pπ×pμ)] / (|pγ||pπ×pμ|)，其中K⁺与K⁻之间的符号变化可实现末态相互作用效应的减法。
• 对标准模型和三Higgs双态模型（3HDM）中的T-odd相关性进行详细模拟，使用由ε、ε′、中子电偶极矩（neutron EDM）和ΔM_D约束的参数。
• 利用预期的约7×10⁵个K⁺→μνπ⁰γ事件（经筛选后）探测新物理信号，灵敏度达到10⁻³量级的T-odd相关性。

实验结果

研究问题

• RQ1 在U-70质子同步加速器上，高强度、RF分离的K±束流是否能实现对稀有奇异夸克衰变中CP破坏的竞争力灵敏度？
• RQ2 OKA实验对K⁺→μ⁺νπ⁰γ衰变中T-odd相关性的预期灵敏度如何，特别是在3HDM等新物理模型的背景下？
• RQ3 K⁺/K⁻束流对是否能有效抑制T-odd相关性中的末态相互作用贡献，从而实现新物理的清晰信号？
• RQ4 在Eγ > 30 MeV且θμγ > 20°条件下，K⁺→μ⁺νπ⁰γ衰变的预期事例率是多少，是否足以实现发现级测量？
• RQ5 在3HDM框架下，理论预测的T-odd相关性与OKA实验设置对K→μνπ⁰γ衰变中T-odd相关性的实验灵敏度相比如何？

主要发现

• 预计OKA实验在为期3个月的运行中将收集约7×10⁵个K⁺→μ⁺νπ⁰γ衰变事例，其中约10⁵个事例通过动量学切割。
• 实验预计对K→μνπ⁰γ衰变中T-odd相关性的灵敏度达到10⁻³量级，与当前及计划中的实验具有竞争力。
• 在3HDM模型中的理论计算预测，对基准参数集的T-odd相关性可达约0.03，若存在新物理，该信号可被探测到。
• 末态相互作用对T-odd相关性的贡献估计约为10⁻⁴，足够小，可通过K⁺/K⁻束流不对称性实现减法。
• 束流参数——12.5 GeV动量、±4%动量分辨率，以及±10 mrad水平和±1.9 mrad垂直接受度——支持高精度测量。
• 实验计划于2003年春季开始运行，首条束流线建设工作将于2001年启动。