[论文解读] Rare decays at the CERN high-intensity kaon beam facility

NA Collaboration, KLEVER Collaboration|arXiv (Cornell University)|Sep 23, 2020

Particle physics theoretical and experimental studies被引用 4

一句话总结

本文提出在CERN的SPS加速器上开展高强度粲介子物理计划，利用升级后的NA62实验与KLEVER实验，分别以5%和20%的精度测量稀有K介子衰变 $K^+\to\pi^+\nu\bar{\nu}$ 与 $K_L\to\pi^0\nu\bar{\nu}$。这些测量旨在探测标准模型之外的新物理，包括轻子味非守恒与隐性 sector 粒子，借助先进探测器与束流线升级，实现总精度低于15%。

ABSTRACT

Precision measurements of the branching ratios (BRs) for rare kaon decays can provide unique constraints on CKM unitarity and may reveal the existence of new physics. The BRs for two of these decays, $K^+ oπ^+ν\barν$ and $K_L oπ^0ν\barν$, are strongly suppressed in the Standard Model, while their rates can be calculated with very small theoretical uncertainties.These decays are potentially sensitive to high mass scales, and several models of new physics predict large deviations from the Standard Model. Much progress has been made recently in the measurement of the $K oπν\barν$ BRs. Following upon NA62's successful application of the in-flight technique to measure ${ m BR}(K^+ oπ^+ν\barν)$, we envision a comprehensive program for the study of the rare decay modes of both $K^+$ and $K_L$ mesons, to be carried out with high-intensity kaon beams from the CERN SPS in multiple phases, including both an experiment to measure ${ m BR}(K^+ oπ^+ν\barν)$ at the 5% level and an experiment to measure ${ m BR}(K_L oπ^0ν\barν)$ at the 20% level. The detectors could also be reconfigured to allow measurements of $K_L$ decays with charged particles, such as $K_L oπ^0\ell^+\ell^-$.

研究动机与目标

• 以高精度测量稀有K介子衰变 $K^+\to\pi^+\nu\bar{\nu}$ 与 $K_L\to\pi^0\nu\bar{\nu}$ 的分支比，以检验CKM矩阵的幺正性并探测新物理。
• 通过稀有衰变率的偏离，研究轻子味非守恒与隐性 sector 粒子。
• 利用升级后的探测器与高强度束流，实现对 $K^+\to\pi^+\nu\bar{\nu}$ 的5%精度与对 $K_L\to\pi^0\nu\bar{\nu}$ 的20%精度。
• 通过重新配置探测器以探测带电末态粒子，实现对 $K_L\to\pi^0\ell^+\ell^-$ 及其他奇异衰变的互补测量。
• 支持CERN SPS长期、多阶段的实验计划，利用升级后的束流线与探测器技术。

提出的方法

• 利用高强度、慢提取的400-GeV/c质子束，每年最多提供 $10^{19}$ 个质子对靶，以产生高亮度K介子束。
• 实施多阶段实验方法：首先以5%精度测量 $K^+\to\pi^+\nu\bar{\nu}$，随后利用KLEVER项目以20%精度测量 $K_L\to\pi^0\nu\bar{\nu}$。
• 部署先进探测器，包括时间分辨率达50 ps的Gigatracker，采用LGAD或3D像素传感器用于束流与次级粒子追踪。
• 集成超快单光子探测器（20 ps时间分辨率），用于在高亮度环境下基于切伦科夫效应进行粒子识别。
• 使用薄壁、窄间距（5 mm）的真空操作气泡管，时间分辨率约6 ns，用于次级粒子追踪。
• 利用取向晶体中的相干光子转换，抑制高能光子，并增强对 $K_L$ 衰变中小角度光子的拒止效率。

实验结果

研究问题

• RQ1 能否以5%的精度测量 $K^+\to\pi^+\nu\bar{\nu}$ 的分支比，以检验CKM幺正性，并探测高达数百TeV尺度的新物理？
• RQ2 能否以20%的精度测量 $K_L\to\pi^0\nu\bar{\nu}$ 衰变，以探测新的CP破坏来源并区分不同新物理模型？
• RQ3 B介子衰变中的轻子味非守恒违反在多大程度上可通过第三代耦合与 $K\to\pi\nu\bar{\nu}$ 衰变速率的增强相关联？
• RQ4 异常高的 $K\to\pi\nu\bar{\nu}$ 分支比观测是否可为隐性 sector 粒子（如暗标量 $X$）提供证据？
• RQ5 能否测量 $K_L\to\pi^0\ell^+\ell^-$ 衰变的分支比，以过度约束单位三角形并揭示新物理效应？

主要发现

• NA62测得 ${\rm BR}(K^{+}\to\pi^{+}\nu\bar{\nu})=(11.0^{+4.0}_{-3.5}\pm 0.3)\times 10^{-11}$，首次提供该稀有衰变的显著证据（>3σ）。
• 2016–2018年与2018年数据的联合分析显示，分支比与标准模型一致，且优于此前E787/E949的限制。
• KOTO已实现对 $K_L\to\pi^0\nu\bar{\nu}$ 的初步单事件灵敏度为 $7.1\times 10^{-10}$，观测到3个候选事例，背景为 $1.05\pm 0.28$ 个事例。
• 该计划旨在利用2021–2024年收集的数据，实现对 $K^+\to\pi^+\nu\bar{\nu}$ 的10%精度，沿用NA62的飞行中技术。
• KLEVER项目旨在通过延长束流线与基于晶体的光子抑制技术，以20%精度测量 $K_L\to\pi^0\nu\bar{\nu}$。
• NA62与KOTO的联合精度，连同本CERN计划，将使两种稀有衰变的总不确定性均低于15%。