[论文解读] KLEVER: An experiment to measure BR($K_L oπ^0ν\barν$) at the CERN SPS

F. Ambrosino, R. Ammendola+76 more|arXiv (Cornell University)|Jan 10, 2019

Particle physics theoretical and experimental studies被引用 12

一句话总结

KLEVER 计划在 CERN 的 SPS 利用高能中性束，对稀有奇异介子衰变 $K_L \to \pi^0\nu\bar{\nu}$ 实现高精度测量，通过动量提升和先进的拒收系统增强信号与背景的分离。该实验旨在实现分支比约 20% 的灵敏度，为标准模型之外的新物理提供关键检验。

ABSTRACT

Precise measurements of the branching ratios for the flavor-changing neutral current decays $K oπν\barν$ can provide unique constraints on CKM unitarity and, potentially, evidence for new physics. It is important to measure both decay modes, $K^+ oπ^+ν\barν$ and $K_L oπ^0ν\barν$, since different new physics models affect the rates for each channel differently. The goal of the NA62 experiment at the CERN SPS is to measure the BR for the charged channel to within 10%. For the neutral channel, the BR has never been measured. We are designing the KLEVER experiment to measure BR($K_L oπ^0ν\barν$) to $\sim$20% using a high-energy neutral beam at the CERN SPS starting in LHC Run 4. The boost from the high-energy beam facilitates the rejection of background channels such as $K_L oπ^0π^0$ by detection of the additional photons in the final state. On the other hand, the layout poses particular challenges for the design of the small-angle vetoes, which must reject photons from $K_L$ decays escaping through the beam exit amidst an intense background from soft photons and neutrons in the beam. Background from $Λ o nπ^0$ decays in the beam must also be kept under control. We present findings from our design studies for the beamline and experiment, with an emphasis on the challenges faced and the potential sensitivity for the measurement of BR($K_L oπ^0ν\barν$).

研究动机与目标

• 测量从未在实验中观测到的稀有中性奇异介子衰变 $K_L \to \pi^0\nu\bar{\nu}$ 的分支比。
• 通过精确测量味改变的中性流衰变，探测标准模型之外的新物理。
• 通过测量对 $K^+ \to \pi^+\nu\bar{\nu}$ 的 NA62 实验进行补充，$K_L$ 模式对不同新物理贡献具有敏感性。
• 实现分支比约 20% 的灵敏度，从而对 CKM 单位性和新物理模型进行关键检验。
• 通过优化束流线和探测器设计，解决来自 $K_L \to \pi^0\pi^0$、$\Lambda \to n\pi^0$ 和束流相关背景的主要挑战。

提出的方法

• 利用 CERN SPS 的高能中性奇异介子束对 $K_L$ 衰变进行动量提升，通过探测末态中额外的光子，提高与主要 $K_L \to \pi^0\pi^0$ 背景的分离能力。
• 实施小角度拒收系统，以排除通过束流出口逃逸的 $K_L$ 衰变光子，减轻软光子和中子引起的背景影响。
• 对 $\pi^0$ 的 $p_\perp$ 和 $\theta$ 与 $p$ 进行运动学切割，以抑制残余的 $\Lambda \to n\pi^0$ 背景，其中 $p^* = 104$ MeV。
• 采用自由运行、连续数字化的读出系统，配备最高达 1 GHz 的 FADC，实现无死时间的软件触发和背景拒收。
• 设计多层读出架构，采用 TDC 时间戳（100 ps 分辨率）、光学 GBT 链接，以及 FPGA/GPU 前置处理，以支持 SAC 探测器高达 100 GB/s 的数据率。
• 利用 FLUKA 和离线分析工具进行全面的模拟研究，以验证背景抑制和信号识别的有效性。

实验结果

研究问题

• RQ1 能否在 SPS 利用高能中性束，实现对 $K_L \to \pi^0\nu\bar{\nu}$ 分支比约 20% 精度的测量？
• RQ2 通过运动学和几何技术，$K_L \to \pi^0\pi^0$ 和 $\Lambda \to n\pi^0$ 背景的抑制效果如何？
• RQ3 自由运行、高带宽的读出系统能否在无死时间或辐射导致数据损坏的情况下，处理预期的 100 GB/s 以上数据率（来自 SAC）？
• RQ4 束气相互作用、辐射衰变和中性束晕对最终灵敏度有何影响？
• RQ5 通过结合束流线设计、有效体积选择和探测器优化，能否将信背比提高至约 1？

主要发现

• KLEVER 实验设计可实现对 $K_L \to \pi^0\nu\bar{\nu}$ 分支比约 20% 的灵敏度，从而为标准模型和新物理提供关键检验。
• 高能束提供动量提升，增强末态中额外光子的探测能力，从而有效抑制 $K_L \to \pi^0\pi^0$ 背景。
• 通过 $p_\perp$ 和 $\theta$ 与 $p$ 的切割，残余的 $\Lambda \to n\pi^0$ 背景（$p^* = 104$ MeV）可被抑制数个数量级。
• 初步研究表明，对于 SAC 探测器，具备 100 MHz 事件率和 100 ps 时间分辨率的自由运行读出系统是可行的，可实现软件触发和背景拒收。
• 仅 SAC 探测器的数据流预计达到 100 GB/s，需采用 PCIe40 或基于 FELIX 的先进读出方案，辅以 FPGA 前置处理。
• 全面的模拟工作正在进行中，包括对中性束晕的详细 FLUKA 建模，以验证背景抑制和信号识别的有效性。