[论文解读] HIKE, High Intensity Kaon Experiments at the CERN SPS

E. Cortina, J. Jerhot+177 more|arXiv (Cornell University)|Nov 29, 2022

Particle physics theoretical and experimental studies被引用 12

一句话总结

HIKE 在 CERN SPS 提出了一项分阶段、高精度的实验计划，利用带电和中性 kaon 束流，通过束流靶停模式，借助现有的 NA62 设施与探测器，研究稀有 kaon 衰变、CP 破坏及新物理，目标是实现对弱相互作用粒子和极高能标新物理的前所未有灵敏度。

ABSTRACT

A timely and long-term programme of kaon decay measurements at a new level of precision is presented, leveraging the capabilities of the CERN Super Proton Synchrotron (SPS). The proposed programme is firmly anchored on the experience built up studying kaon decays at the SPS over the past four decades, and includes rare processes, CP violation, dark sectors, symmetry tests and other tests of the Standard Model. The experimental programme is based on a staged approach involving experiments with charged and neutral kaon beams, as well as operation in beam-dump mode. The various phases will rely on a common infrastructure and set of detectors.

研究动机与目标

• 在 CERN SPS 开展长期、高精度的 kaon 衰变测量计划，延续 NA62 和 NA48 近四十年的经验。
• 相比当前实验，以更高灵敏度探测稀有 kaon 衰变过程、CP 破坏及标准模型之外的新物理。
• 利用束流靶停与专用探测技术，以前所未有的灵敏度搜索弱相互作用粒子（FIPs）。
• 采用分阶段实验方法，持续十余年，可随物理格局变化灵活调整，并支持并行用户访问。
• 利用现有基础设施（特别是 ECN3 实验大厅和 NA62 探测器），最大限度减少土木工程，降低费用并加快部署。

提出的方法

• 在靶上使用高强度质子束流，通过次级相互作用产生带电和中性 kaon，采用束流靶停模式实现高覆盖范围探测。
• 采用分阶段探测器配置：第一阶段使用专用 kaon 识别系统（KTAG）、束流跟踪器和 veto 系统；第二阶段增加主电磁 calorimeter（MEC）；第三阶段（KLEVER）增加13个额外的大角度 veto（LAV）模块。
• 改造并升级现有 NA62 探测器，包括 LKr calorimeter、读出系统和时间探测器，采用新型读出后端并审查关键组件。
• 采用先进探测技术：MCP-PMT 用于 kaon 识别，SiPM 用于粒子 veto 和时间系统，闪烁纤维（SciFi）用于 VetoCounter，Shashlyk calorimeter 用于强子和μ子探测。
• 通过七个低温泵维持约 10⁻⁶ mbar 的真空环境，该系统已于 2021 年保持稳定，确保 LKr calorimeter 及其他探测器的稳定运行。
• 通过在北区与其他实验并行运行，确保兼容性，最大化物理多样性与资源效率。

实验结果

研究问题

• RQ1 HIKE 计划对稀有 kaon 衰变（特别是探测 CP 破坏与轻子味 universality 的过程）的灵敏度如何？
• RQ2 如何优化 SPS 束流靶停模式，以最大化探测来自 kaon 衰变的长寿命、弱相互作用粒子？
• RQ3 测量稀有衰变 K⁺ → π⁺νν̄ 的分支比能达到何种精度？与当前限制相比如何？
• RQ4 探测器系统如何通过三个阶段实现模块化升级，以在适应理论与实验优先级演变的同时保持灵敏度？
• RQ5 将 NA62 基建扩展以支持长期、高覆盖探测的新 kaon 物理计划的技术与成本可行性如何？

主要发现

• HIKE 第一阶段需要每束流 1.2×10¹³ 个质子，每年在事例体积内产生约 2×10¹³ 次 kaon 衰变。
• 第二阶段涉及中性 kaon 与跟踪测量，需每束流 2×10¹³ 个质子，目标为每年产生 3.8×10¹³ 次 kaon 衰变，新增主电磁 calorimeter（MEC），预计成本为 5 MCHF。
• 第三阶段（KLEVER）将大角度 veto 系统从 12 个模块扩展至 25 个模块，新增 13 个单元，预计成本 9 MCHF，第一阶段探测器总成本为 22.3 MCHF，完整项目总成本为 36.8 MCHF。
• 第一阶段探测器总成本估算为 22.3 MCHF，关键组件包括 KTAG（0.5 MCHF）、束流跟踪器（2.5 MCHF）和 LAV 模块（8 MCHF）。
• LKr calorimeter 可通过持续低温维护保持运行，读出链将通过新型后端与旧组件审查进行升级。
• 项目设计在长停机期 4（LS4）前无需土木工程，仅需极少基础设施变更，且兼容现有电力与冷却系统，从而降低总体成本与风险。