[论文解读] The NA62 experiment at CERN: status and perspectives

R. Fantechi|arXiv (Cornell University)|Jul 30, 2014

Particle physics theoretical and experimental studies被引用 12

一句话总结

CERN的NA62实验旨在通过两年内收集约100个信号事例，利用75 GeV/c的介子束流和高效率的触发与粒子鉴别系统，以10%的精度测量超稀有衰变$K^{+}\rightarrow\pi^{+}\nu\overline{\nu}$的分支比。该实验实现了$10^{12}$的本底抑制，从而能够对标准模型之外的新物理进行敏感检验。

ABSTRACT

The NA62 experiment at CERN will measure the branching ratio of the K+ -> pi+ nu nubar decay with a precision of 10%, collecting about 100 events in two years of run. This paper will review the design of the experiment, the strategy for the measurement and the actual status of the installation. Prospects for the data collection and for the measurement of other rare K+ channels will be presented.

研究动机与目标

• 以10%的精度测量超稀有衰变$K^{+}\rightarrow\pi^{+}\nu\overline{\nu}$的分支比，作为检验标准模型之外新物理的关键手段。
• 实现$10^{12}$的本底抑制因子，以在主要$K^{+}$衰变模式（如$K^{+}\rightarrow\mu^{+}\nu$和$K^{+}\rightarrow\pi^{+}\pi^{0}$）的背景下分离出稀有信号。
• 利用高强度的75 GeV/c介子束流（每脉冲约$3\cdot10^{12}$个质子）实现每年$4.5\cdot10^{12}$次介子衰变，以获得足够的统计精度用于测量。
• 通过并行数据采集，扩展对其他稀有介子衰变（包括轻子味违反、轻子数违反以及有效场论中的ChPT过程）的探测灵敏度。

提出的方法

• 使用能量展宽为1%的75 GeV/c介子束流，每年提供$4.5\cdot10^{12}$次介子衰变，确保稀有衰变测量所需的足够统计量。
• 采用高流强束流线与粒子鉴别系统（包括RICH探测器、Gigatracker和μ子拒止系统），以区分信号与本底。
• 实施多级触发系统（L0和L1触发），以高效率和低本底选择事件，特别针对$K^{+}\rightarrow\pi^{+}\nu\overline{\nu}$衰变。
• 利用伽马射线拒止探测器和μ子识别器，分别通过π介子和μ子动量的运动学切片，抑制$K^{+}\rightarrow\pi^{+}\pi^{0}$和$K^{+}\rightarrow\mu^{+}\nu$衰变。
• 安装长80米、真空度为$10^{-6}$ mbar的真空衰变室，以最小化多次散射和束流-气体相互作用。
• 部署高带宽读出系统和PC集群，实现实时数据处理，并完成LKr量能器和LAV等探测器的调试与运行。

实验结果

研究问题

• RQ1 能否以10%的精度测量$K^{+}\rightarrow\pi^{+}\nu\overline{\nu}$的分支比，从而实现对标准模型之外新物理的敏感检验？
• RQ2 NA62探测器在抑制本底方面能达到何种水平，以确保从主要$K^{+}$衰变模式中分离出$K^{+}\rightarrow\pi^{+}\nu\overline{\nu}$信号？
• RQ3 NA62对其他稀有介子衰变（如轻子味违反和轻子数违反过程）的预期灵敏度如何？与当前极限相比有何提升？
• RQ4 多级触发系统在高效选择稀有信号事件的同时，对高本底背景的抑制效果如何？
• RQ5 探测器能否在2014年底完成全面调试并开始首次物理数据采集？是否可通过低强度运行验证性能？

主要发现

• 在标准模型分支比$7.81\cdot10^{-11}$下，NA62实验预计每年可收集约45个$K^{+}\rightarrow\pi^{+}\nu\overline{\nu}$信号事例。
• 本底水平估计低于每年10个事例，主要贡献来自$K^{+}\rightarrow\pi^{+}\pi^{0}\gamma$（1.5个/年）和$K^{+}\rightarrow\mu^{+}\nu\gamma$（0.5个/年）。
• 探测器实现了$10^{12}$的本底抑制因子，主要通过粒子鉴别和运动学切片实现，从而成功分离出稀有信号。
• 首次物理运行计划于2014年10月中旬至12月中旬进行，使用降低强度的SPS束流，以完成探测器调试并验证性能。
• 从2015年起将开始收集完整的$K^{+}\rightarrow\pi^{+}\nu\overline{\nu}$测量数据，目标实现10%的精度。
• NA62对稀有衰变模式（如$\pi^{+}\mu^{+}e^{-}$和$\mu^{-}\nu e^{+}e^{+}$）的灵敏度将提升达一个数量级，极限可达到$10^{-12}$量级。