DeeMe Search for Muon-Electron Conversion in Nuclear Field - - PowerPoint PPT Presentation

DeeMe ¡

Search ¡for ¡Muon-­‑Electron ¡Conversion ¡ in ¡Nuclear ¡Field ¡by ¡using ¡ High-­‑Purity ¡High-­‑Power ¡Pulsed ¡Proton ¡Beam ¡ from ¡J-­‑PARC ¡RCS Masaharu ¡Aoki, ¡on ¡behalf ¡of ¡DeeMe ¡CollaboraFon ¡ Osaka ¡University ¡ NuFact2015, ¡10-­‑15 ¡Aug. ¡2015, ¡Rio ¡de ¡Janeiro

1

2

• Charged Lepton Flavor

Violation (CLFV)

• Forbidden in the Standard Model of particle physics.
• μ-+A→e-+A , μ→eγ, μ→eee, τ→e(μ)γ, τ→e(μ)h ...
• Neutron Oscillation may induce the effective CLFV, but it is very

small due to the combination of GIM-like mechanism and smallness

• f the neutrino masses.
• CLFV →


Clear evidence of the physics beyond the Standard Model with neutrino-oscillation extension.

Charge Lepton Flavor Violation

• A. de Gouvea

µ-e Conversion in Nuclear Field

• Muonic ¡Atom ¡(1S ¡state) ¡

– MC:DIO ¡= ¡1:1000(H), ¡2:1(Si), ¡13:1(Cu) ¡ – τ(free ¡μ-­‑) ¡= ¡2.2 ¡μs ¡ ¡ – τ(μ-­‑;Si) ¡= ¡0.76 ¡μs ¡

• Charged ¡Lepton ¡Flavor ¡ViolaFon ¡(CLFV)

3

nucleus

µ−

Muon Decay in Orbit (DIO)

μ-­‑e ¡Conversion ¡in ¡Nuclear ¡Field

Muon Capture(MC)

Clear ¡evidence ¡of ¡the ¡new ¡physics

Photonic ¡and ¡Non-­‑photonic

μ e q q

photonic non-photonic

• SUSY-GUT, SUSY-seesaw
• higgs mediated processes
• Doubly Charged Higgs Boson (LRS etc.)
• Little Higgs Models
• Randall-Sundrum Models
• SUSY with R-parity

Violation

• Leptquarks
• Heavy Z’
• Multi-Higgs Models

B(μ→e conv) >

κ

• 2

10

• 1

10 1 10

2

10 (TeV) Λ

3

10

MEG 2011 MEGゴール SINDRUM-II

EXCLUDED

本研究最終(5×10-15) 本研究(2×10-14)

余剰次元 リ トルヒッ グス 超対称性

photonic-like nonphotonic-like

Little Higgs Extra Dim. SUSY (Gauge)

MEG Goal DeeMe Final (5x10-15) DeeMe 1st (2x10-14)

• riginal ¡plot ¡by ¡Andre ¡de ¡Gouvea

5

Principle ¡of ¡Measurement

SINDRUM II

• Process ¡: ¡μ-­‑ ¡+(A,Z) ¡→ ¡e-­‑ ¡+(A,Z) ¡

– A ¡single ¡mono-­‑energeFc ¡electron ¡

• 105 ¡MeV ¡
• Delayed：~1μS ¡
• No ¡accidental ¡backgrounds ¡
• Physics ¡backgrounds ¡

– Muon ¡Decay ¡in ¡Orbit ¡(DIO) ¡

• Ee ¡> ¡102.5 ¡MeV ¡(BR:10-­‑14) ¡
• Ee ¡> ¡103.5 ¡MeV ¡(BR:10-­‑16) ¡

– Beam ¡Pion ¡Capture ¡

• π-­‑+(A,Z) ¡→ ¡(A,Z-­‑1)* ¡→ ¡γ+(A,Z-­‑1)


¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡γ ¡→ ¡e+ ¡e-­‑ ¡

• Prompt ¡Fming

Recent ¡Upper ¡Limits ¡ SINDRUM-­‑II: ¡BR[μ-­‑ ¡+ ¡Au ¡→ ¡e-­‑ ¡+ ¡Au] ¡< ¡7 ¡× ¡10-­‑13 ¡ SINDRUM-­‑II: ¡BR[μ-­‑ ¡+ ¡Ti ¡→ ¡e-­‑ ¡+ ¡Ti] ¡< ¡4.3 ¡× ¡10-­‑12 ¡ TRIUMF: ¡BR[μ-­‑ ¡+ ¡Ti ¡→ ¡e-­‑ ¡+ ¡Ti] ¡< ¡4.6 ¡× ¡10-­‑12

6

DeeMe

• Process ¡: ¡μ-­‑ ¡+(A,Z) ¡→ ¡e-­‑ ¡+(A,Z) ¡

– A ¡single ¡mono-­‑energeFc ¡electron ¡

• 105 ¡MeV ¡
• Delayed：~1μS ¡
• No ¡accidental ¡backgrounds ¡
• Physics ¡backgrounds ¡

– Muon ¡Decay ¡in ¡Orbit ¡(DIO) ¡

• Ee ¡> ¡102.5 ¡MeV ¡(BR:10-­‑14) ¡
• Ee ¡> ¡103.5 ¡MeV ¡(BR:10-­‑16) ¡

– Beam ¡Pion ¡Capture ¡

• π-­‑+(A,Z) ¡→ ¡(A,Z-­‑1)* ¡→ ¡γ+(A,Z-­‑1)


¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡γ ¡→ ¡e+ ¡e-­‑ ¡

• Prompt ¡Fming
• Low ¡Energy ¡main ¡part: ¡suppressed ¡by ¡the ¡
• beamline. ¡
• High ¡Energy ¡tail: ¡Magnet ¡Spectrometer ¡(Δp ¡< ¡

0.5%)

• Main ¡pulse ¡burst: ¡State-­‑of-­‑the-­‑art ¡MWPC ¡that ¡

becomes ¡operaFonal ¡quickly ¡aper ¡a ¡burst. ¡

• Aper-­‑protons: ¡Suppressed ¡owing ¡to ¡the ¡

extremely ¡small ¡aper-­‑protons ¡from ¡RCS ¡-­‑-­‑ ¡ RAP<<10-­‑17.

Proton Production Target Secondary Beamline

① π－ Production ② in-flight π－→ μ－ ③ Muonic Atom Formation ④ μ-e Conversion

Magnet Spectrometer π- μ- e- e- low-P BG high-P Signal

① ② ③ ④

J-­‑PARC ¡MLF

• LINAC ¡

– H-­‑, ¡400 ¡MeV, ¡50 ¡mA ¡ – 50 ¡Hz ¡

• RCS ¡

– 3 ¡GeV, ¡333 ¡μA, ¡1MW: ¡High ¡Power ¡ – 25 ¡Hz, ¡Fast ¡Extrac2on: ¡High ¡Purity ¡ – Material ¡and ¡Life-­‑science ¡Facility ¡(MLF) ¡

• MR ¡

– 30 ¡GeV, ¡15 ¡μA ¡ – Fast ¡and ¡Slow ¡EX

D1 Instrument D1 Instrument

Surface muon or positive/negative muon slower than 50 MeV/c are available. Selectable beam characteristics: Double pulse, Single pulse and Short pulse of 30 ns width

H-Line

600 ns 40 ms main pulses 600 ns Primary Protons Time

MUSE: IMSS/Muon Facility

3

DeeMe ¡CollaboraFon

• M. ¡Aoki(1), ¡D. ¡Bryman(2), ¡Y. ¡Furuya(3), ¡M. ¡Ikegami(4), ¡Y. ¡Irie ¡(4), ¡ ¡
• S. ¡Ito(1), ¡N. ¡Kawamura(5), ¡M. ¡Kinsho(6), ¡H. ¡Kobayashi(4), ¡
• S. ¡Makimura(5), ¡H. ¡Matsumoto(4), ¡S. ¡Meigo ¡(6), ¡T. ¡Mibe(7), ¡ ¡
• S. ¡Mihara(7), ¡Y. ¡Miyake(5), ¡D. ¡Nagao(1), ¡Y. ¡Nakatsugawa(5), ¡ ¡
• H. ¡Natori(7), ¡H. ¡Nishiguchi(7), ¡T. ¡Numao(8), ¡C. ¡Ohomori(4), ¡ ¡
• S. ¡Riw(10), ¡P.K. ¡Saha(6), ¡N. ¡Saito(7), ¡Y. ¡Seiya(3), ¡K. ¡Shimizu(3), ¡
• K. ¡Shimomura(5), ¡P. ¡Strasser(5), ¡Y. ¡Takezaki(3), ¡N. ¡Teshima(3), ¡ ¡

N.D. ¡Thong ¡(1), ¡N.M. ¡Truong ¡(1), ¡K. ¡Yamamoto(6), ¡ ¡

• K. ¡Yamamoto(3), ¡M. ¡Yoshii(4), ¡K. ¡Yoshimura(9) ¡

(1) ¡Osaka ¡University, ¡(2) ¡UBC, ¡(3) ¡Osaka ¡City ¡University, ¡ (4) ¡KEK ¡Accelerator, ¡(5) ¡KEK ¡MUSE, ¡(6) ¡JAEA, ¡(7) ¡KEK ¡IPNS, ¡(8) ¡TRIUMF, ¡ (9) ¡Okayama ¡University, ¡(10) ¡PSI

DeeMe ¡Project

• High-­‑Power ¡High-­‑Purity ¡Pulsed ¡Proton ¡from ¡J-­‑

PARC ¡RCS ¡

• Start ¡with ¡Graphite ¡Target ¡
• Upgrade ¡to ¡a ¡SiC ¡Target ¡
• Large-­‑Acceptance ¡Beam ¡line ¡(H-­‑Line) ¡
• State-­‑of-­‑the-­‑Art ¡HV-­‑Switching ¡MWPC ¡
• Single ¡Event ¡SensiFvity ¡

– 1×10-­‑13 ¡(Graphite, ¡2×107sec) ¡ – 2×10-­‑14(SiC)、5×10-­‑15(8×107sec) ¡

• Schedule ¡
• Stage-­‑2 ¡Approved ¡from ¡Muon ¡PAC ¡IMSS ¡
• Grant-­‑in-­‑Aid ¡for ¡detector ¡construcFon ¡
• detector ¡completed ¡in ¡2015 ¡
• H-­‑Line ¡under ¡construcFon ¡
• upstream-­‑half ¡completed ¡
• beamline ¡shield ¡under ¡a ¡bid ¡
• downstream ¡at ¡2016 ¡summer ¡
• Aiming ¡to ¡start ¡in ¡2016.

• Signal ¡SensiFvity ¡(SiC) ¡

– S.E.S.: ¡2×10-­‑14 ¡(1 ¡MW, ¡2×107sec) ¡

• Backgrounds ¡

– RAP ¡< ¡10-­‑18 ¡ – Detector ¡live-­‑Fme ¡Duty ¡= ¡1/20000
 that ¡suppresses ¡cosmic-­‑ray ¡BG ¡ – no ¡anF-­‑protons ¡(Ep ¡= ¡3 ¡GeV ¡<< ¡5.6 ¡GeV) ¡

• If ¡we ¡could ¡extend ¡the ¡running-­‑Fme ¡up ¡to ¡8×107 ¡sec ¡

– Standard ¡Cut: ¡S.E.S.= ¡0.5 ¡× ¡10-­‑14 ¡(NBG<0.64) ¡ – Tighter ¡Cut: ¡S.E.S.= ¡0.6 ¡× ¡10-­‑14 ¡(NBG<0.17)
 NBG ¡could ¡be ¡much ¡less ¡with ¡improved ¡BLM ¡system.

DIO ¡Background 0.09 Aper-­‑Proton ¡Background < ¡0.027 ¡(<0.05 ¡90%CL) Cosmic-­‑Muon ¡Induced ¡ <0.018 ¡(MC ¡limited) Cosmic-­‑Muon ¡Induced ¡Muon ¡ <0.001 RadiaFve ¡Muon ¡Capture ¡BG <0.0009

16

SensiFvity ¡and ¡Backgrounds

DIO ¡BG μ-­‑e ¡signal Beam ¡BG ¡(10-­‑19) Signal ¡Region: ¡102.0 ¡-­‑-­‑ ¡105.6 ¡MeV/c

In-­‑situ ¡Monitoring ¡of ¡Backgrounds

• Momentum ¡Domain ¡

–Moderate ¡Δp ¡of ¡H-­‑line ¡makes ¡it ¡ possible ¡to ¡monitor ¡backgrounds ¡in-­‑ situ: ¡

• DIO ¡(p ¡< ¡102.5 ¡MeV/c) ¡
• Beam ¡Backgrounds ¡(p ¡> ¡105.6 ¡

MeV/c) ¡ –Number-­‑of-­‑muon ¡CalibraFon ¡by ¡using ¡

• DIO. ¡
• Time ¡Domain ¡

–Monitor ¡Off-­‑Timing ¡Protons ¡

• Beam-­‑Loss ¡Monitor ¡@ ¡RCS ¡
• Spectrometer ¡AcFviFes ¡

–Cosmic-­‑Ray ¡Background ¡

• Duty-­‑factor ¡1/20000

11

Cosmic ¡BG Signal (Prompt ¡BG)

DIO ¡BG μ-­‑e ¡signal Beam ¡BG

Aper-­‑Protons ¡from ¡RCS

1st Bunch 2nd Bunch

Magnetic field by the Kickers

Time structure of RCS extraction scheme

RCS STR+BPM To MLF/MR STR+BPM QFL QDL Pulse KM 1~3 Pulse KM 4~8

• RCS ¡has ¡a ¡very ¡large ¡aperture ¡(to ¡reduce ¡the ¡beam ¡loss). ¡

– Vacuum ¡Duct ¡= ¡486π ¡mm.mrad ¡(Collimator: ¡350π ¡mm.mrad) ¡ – Transport ¡to ¡MLF ¡= ¡324π ¡mm.mrad ¡ – Kick ¡Angle ¡= ¡17 ¡mrad ¡-­‑-­‑-­‑ ¡> ¡2000π ¡mm.mrad ¡

• Fast ¡ExtracFon ¡-­‑-­‑-­‑ ¡No ¡residual ¡protons ¡in ¡a ¡ring. ¡
• High-­‑Purity ¡High-­‑Power ¡Pulsed ¡Proton ¡Beam

RCS ¡ExtracFon ¡SecFon

Beamline: ¡H-­‑line

• Concept: ¡Jaap ¡Doornbos ¡(TRIUMF)


Leader: ¡Naritoshi ¡Kawamura ¡(KEK) ¡ – MulFple ¡purpose: ¡DeeMe ¡+ ¡g-­‑2 ¡+ ¡muon-­‑HFS ¡ – Large ¡Acceptance: ¡ ¡> ¡110 ¡msr ¡ – Large ¡Momentum ¡Acceptance: ¡BG ¡monitor ¡

• DIO ¡backgrounds ¡(p ¡< ¡102.5 ¡MeV/c) ¡
• Prompt ¡backgrounds ¡(p ¡> ¡105.0 ¡MeV/c) ¡
• Upstream; ¡already ¡installed ¡in ¡the ¡summer ¡of ¡2012. ¡
• Downstream; ¡Engineering ¡Design ¡finished; ¡
• radiaFon ¡shielding ¡under ¡a ¡bid; ¡
• is ¡going ¡to ¡be ¡constructed ¡in ¡2016 ¡summer.

13

DIO ¡BG Signal Prompt ¡BG

Spectrometer

• Orthodox ¡Dipole ¡Spectrometer ¡

– Δp ¡< ¡0.5 ¡MeV/c ¡ – A ¡magnet ¡has ¡been ¡borrowing ¡from ¡ TRIUMF ¡

• Prompt ¡Burst: ¡~108/200-­‑ns ¡

– Need ¡to ¡reduce ¡the ¡drop ¡of ¡gas-­‑gain ¡ coming ¡from ¡space-­‑charge ¡effect ¡of ¡ions.

14

hma5 Entries 3490 Mean 1853 RMS 1856

[ns]

• 1000

1000 2000 3000 4000 5000 6000 ADC ch 50 100 150 200

hma5 Entries 3490 Mean 1853 RMS 1856

Energy deposit >180MIP/wire Positrons from muon decay

× 2000 higher in real

@TRIUMF @J-PARC MLF

JPS Meeting 28/March/2014 @ Tokai University Shonan Campus

Potential wire voltage (GARFIELD calculation)

8

Electric field contour Electric field Profile Anode wire: 1150V Potential wire: 0V Anode wire: 1150V Potential wire: 1000V Expected gas gain:~7 Expected gas gain:~104

Cathode Plane (0V) Anode Wire (1150V) Potential Wire Cathode Plane

Potential-Wire Voltage Switching MWPC

16 Raw Waveform Baseline-subtracted Waveform Prompt Burst Prototype 1 @2012 Prototype 2 @2014 Production @ 2015 Preamps @ 2015

MWPC ¡Development

Preamp w/PZC

PZC 1st Stage 2nd Stage Two-Stage RADEKA-type Protection Diodes Prompt Burst A single-stage PZC right after the 1st transistor to cancel 1/t tail that comes from slow ion movement.

Lowe-­‑cost ¡FADC

• Originally ¡developed ¡for ¡J-­‑PARC/E36 ¡by ¡Y. ¡Igarashi ¡
• Firmware ¡completely ¡replaced ¡by ¡N.M.Truong ¡
• Lossless ¡data ¡reducFon ¡
• $70 ¡/ ¡channel.

18

FRONTEND

CH

eFiFo eFiFo eFiFo

• DATA[9:0]

DATA[9:0] DATA[9:0]

• MUX

LATCH

32

DATA[9:0]

MUX Control

WE RE HIT_LATCH 6 IBUSY IREQ OACK OVD

COMP- RESSOR

OBUSY OREQ IACK IVD IDATA [9:0]

CH-FORMATTER

ODATA [15:0] IBUSY IREQ OACK OVD 32 HIT_FLAGS IHIT_FLAGS 32 REG [ALIVE_CH] ICH_FLAGS OBUSY OREQ IACK IVD IDATA [15:0] CHSLE CHSEL 6

EVN- FORMATTER

IBUSY IREQ OACK OVD OBUSY OREQ IACK IVD ODATA [15:0] IDATA [15:0]

TAG_LATCH

7 VME-bus 7

TRIGGER MANAGER

FROTEND_MODE TRIGGER OBUSY RESET EVENT_READ_BUSY EVENT_READ EVENT_TIME IREQ

TIME_STAMP_ LATCH

64 64

CLOCK_ COUNTER

ODATA [15:0] IDATA [15:0] TCP_FULL TCP_OPEN ODATA [7:0]

SENDER

TCP_TX _WR OBUSY IBUSY OACK OVD IVD IACK

50MHz 100MHz 25MHz 50MHz 100MHz 200MHz

RCS ¡Power ¡Scenario

19

2014

Established 800 kW user operation condition

RCS will be ready to start 1-MW user-operation before 2016 JFY.

Summary

• There ¡is ¡a ¡compeFFve ¡merit ¡of ¡physics ¡in ¡searching ¡for ¡μ-­‑e ¡conversion ¡at ¡

sensiFvity ¡of ¡10-­‑14 ¡in ¡Fmely ¡manner. ¡

• It ¡is ¡important ¡to ¡maximize ¡the ¡potenFal ¡of ¡major ¡discovery ¡at ¡J-­‑PARC. ¡
• DeeMe, ¡yet ¡another ¡mu-­‑e ¡conversion ¡search ¡with ¡totally ¡different ¡method ¡from ¡

COMET ¡and ¡Mu2e, ¡creates ¡harmonious ¡diversity ¡for ¡J-­‑PARC. ¡ ¡

• DeeMe ¡has ¡already ¡acquired ¡Stage-­‑2 ¡Approval ¡from ¡muon-­‑PAC ¡of ¡KEK/IMSS. ¡
• ConstrucFon ¡of ¡detector ¡system ¡is ¡ongoing ¡with ¡Grant-­‑in-­‑Aid ¡for ¡ScienFfic ¡

Research ¡of ¡Japan ¡(Basic ¡Science ¡S, ¡2012–2016). ¡

• It ¡is ¡necessary ¡to ¡build ¡a ¡large-­‑acceptance ¡beamline ¡(H-­‑line) ¡for ¡the ¡best ¡result ¡of ¡
• DeeMe. ¡ ¡The ¡H-­‑line ¡can ¡be ¡used ¡for ¡other ¡experiments, ¡such ¡as ¡g-­‑2. ¡
• We ¡can ¡start ¡the ¡physics ¡measurement ¡with ¡a ¡Graphite ¡target. ¡ ¡The ¡

development ¡of ¡SiC ¡target ¡will ¡be ¡conFnued ¡and ¡installed ¡in ¡Fmely ¡manner ¡for ¡ the ¡ulFmate ¡sensiFvity. ¡

• We ¡are ¡aiming ¡to ¡start ¡the ¡engineering ¡run ¡in ¡2016. ¡ ¡No ¡beam-­‑Fme ¡conflicts ¡

with ¡T2K, ¡KOTO ¡or ¡whatever ¡the ¡physics ¡programs ¡with ¡the ¡main ¡ring ¡of ¡J-­‑PARC.

20

End of Slides

Demonstration ¡of ¡the ¡high ¡power ¡operation

Beam ¡Survival ¡rate ¡from ¡0.5 ¡to ¡1 ¡MW ¡operation ¡measured ¡by ¡the ¡DCCT 1 ¡MW-­‑eq. ¡ There ¡were ¡no ¡significant ¡loss ¡ even ¡if ¡we ¡accelerated ¡1 ¡MW-­‑eq. ¡ beam ¡current. ¡ We ¡established ¡condition ¡of ¡ more ¡than ¡800 ¡kW ¡output ¡beam. ¡ ¡ But ¡small ¡loss ¡occurred ¡at ¡the ¡arc ¡ sections ¡when ¡we ¡accelerate ¡900 ¡ kW-­‑eq ¡beam. ¡We ¡need ¡further ¡ fine ¡tuning. ¡

r/aBohr

Overlap of wave function → mu-e conversion

10-5 10-4 0.001 0.01 0.1 1 2.0 ¥1012 4.0 ¥1012 6.0 ¥1012 8.0 ¥1012 1.0 ¥1013 1.2 ¥1013 1.4 ¥1013

e- μ-

Graphite Nucleus mμ- = 205 me- → orbit: 1/205

r/aBohr C Nucleus Si Nucleus

μ-(C) μ-(Si)

1¥10-5 5¥10-5 1¥10-4 5¥10-40.001 0.005 0.010 5.0 ¥1012 1.0 ¥1013 1.5 ¥1013 2.0 ¥1013 2.5 ¥1013 3.0 ¥1013

Si → C: wave-function overlap ×11 μ- reaction: 8%(C)→67%(Si) SiC: C also captures μ-

Effective Reaction Probability 47%

Improvement of Physics Sensitivity by using SiC

SiC: 6-times improvement of the reaction probability. 2-times improvement of surface muon yield Evaluation of the influence to other experiments ongoing

r2R(r)2 r2R(r)2

7EAG 7DFE7EA ,HE7

• 7E

7A,HE7

• 7E

17E7L03

• 7E

07 ( ! ! 2FEA-7E

• (.53AEA

M)(1 ! ! .53AEA M(1N

v

3

Site: ¡J-­‑PARC ¡@ ¡Tokai, ¡Japan

24