I t n r e i t n F o r s t n e m i r e p E - PowerPoint PPT Presentation

� y t i s n e I t n � r e i t n F o r � s t n e m i r e � p E x r � e University College London � t s a c n a L k r a M 0 ¡

Intensity Frontier ? � Mark ¡Lancaster ¡: ¡Intensity ¡Fron:er ¡Expts ¡ IoP ¡QMUL ¡: ¡Apr ¡2012 ¡: ¡p ¡ 1 ¡

Intensity Frontier ? � 1. ¡Probe ¡processes ¡that ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡have ¡very ¡low ¡rates ¡/ ¡forbidden ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡in ¡SM ¡e.g. ¡ ¡ ¡ 2. ¡Measure ¡:ny ¡devia:ons ¡from ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡SM ¡e.g. ¡muon ¡(g-­‑2) ¡ ¡ Requires ¡intense ¡beams ¡and ¡ large/bespoke ¡detectors. ¡ Mark ¡Lancaster ¡: ¡Intensity ¡Fron:er ¡Expts ¡ IoP ¡QMUL ¡: ¡Apr ¡2012 ¡: ¡p ¡ 2 ¡

Intensity vs Energy Frontier � INTENSITY ¡ FRONTIER ¡ ENERGY ¡ ¡ FRONTIER ¡ in ¡SM ¡ SM ¡Backgrounds ¡ Mark ¡Lancaster ¡: ¡Intensity ¡Fron:er ¡Expts ¡ IoP ¡QMUL ¡: ¡Apr ¡2012 ¡: ¡p ¡ 3 ¡

Why Intensity ? � Project ¡X ¡/ ¡PRISM ¡ Sensi:vity ¡to ¡physics ¡at ¡scales ¡ ¡ beyond ¡the ¡LHC. ¡ COMET ¡/ ¡Mu2e ¡ ¡ Likely ¡that ¡not ¡all ¡BSM ¡physics ¡is ¡ at ¡the ¡LHC ¡TeV-­‑scale. ¡ ¡ Interpreta:on ¡of ¡any ¡LHC ¡BSM ¡ physics ¡will ¡require ¡other ¡inputs. ¡ Mark ¡Lancaster ¡: ¡Intensity ¡Fron:er ¡Expts ¡ IoP ¡QMUL ¡: ¡Apr ¡2012 ¡: ¡p ¡ 4 ¡

Why Intensity ? � Historically ¡small ¡devia:ons ¡have ¡been ¡as ¡insighWul ¡as ¡new ¡par:cles ¡ in ¡developing ¡a ¡self-­‑consistent ¡(Standard) ¡model. ¡ 1. Precise ¡measurement ¡of ¡Kaon-­‑mixing ¡: ¡ predic<on ¡of ¡charm ¡quark. ¡ 2. ¡Rare ¡Kaon ¡decays ¡: ¡ first ¡observa<on ¡of ¡CP-­‑viola<on ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡: ¡ requirement ¡of ¡CKM ¡and ¡a ¡3 rd ¡genera<on ¡of ¡quarks ¡ ¡ ¡ ¡-­‑ ¡first ¡input ¡into ¡explaining ¡universe’s ¡baryon ¡asymmetry. ¡ ¡ 3. ¡Precise ¡measurement ¡of ¡B-­‑mixing ¡ : ¡predic<on ¡of ¡large ¡top ¡mass. ¡ Outside ¡of ¡HEP ¡: ¡:ny ¡devia:ons ¡in ¡Mercury’s ¡orbit ¡: ¡vindica:on ¡of ¡General ¡Rela:vity. ¡ Mark ¡Lancaster ¡: ¡Intensity ¡Fron:er ¡Expts ¡ IoP ¡QMUL ¡: ¡Apr ¡2012 ¡: ¡p ¡ 5 ¡

Why Rarity Frontier ? � “The ¡results ¡of ¡my ¡survey ¡are ¡then ¡as ¡follows: ¡four ¡ discoveries ¡on ¡the ¡energy ¡fron:er, ¡four ¡on ¡the ¡rarity ¡ fron:er, ¡eight ¡on ¡the ¡accuracy ¡fron:er. ¡ Only ¡a ¡quarter ¡of ¡ the ¡discoveries ¡were ¡made ¡on ¡the ¡energy ¡fron>er, ¡while ¡ half ¡of ¡them ¡were ¡made ¡on ¡the ¡accuracy ¡fron>er . ¡For ¡ making ¡important ¡discoveries, ¡high ¡accuracy ¡was ¡more ¡ useful ¡than ¡high ¡energy.” ¡ ¡ ¡ Freeman ¡Dyson ¡ “Limits ¡on ¡the ¡neutron ¡EDM ¡have ¡killed ¡more ¡theories ¡ than ¡any ¡other ¡measurement” ¡ ¡ Mike ¡Pendlebury ¡ Mark ¡Lancaster ¡: ¡Intensity ¡Fron:er ¡Expts ¡ IoP ¡QMUL ¡: ¡Apr ¡2012 ¡: ¡p ¡ 6 ¡

The path to new physics � ¡ EWK ¡Symmetry ¡ Breaking ¡ ¡ Flavour ¡ & ¡CP ¡ BSM ¡ Viola:on ¡ Parameters ¡from ¡ ¡ dynamics ¡of ¡ ? ¡ GUT ¡Scale ¡ underlying ¡theory ¡ small ¡ Physics ¡ e.g. ¡ν ¡mass ¡ ¡ SM ¡ Maeer ¡/ ¡An:-­‑Maeer ¡ Ad-­‑hoc ¡parameters ¡ ¡ Asymmetry ¡ e.g. ¡CKM, ¡masses ¡ Mark ¡Lancaster ¡: ¡Intensity ¡Fron:er ¡Expts ¡ IoP ¡QMUL ¡: ¡Apr ¡2012 ¡: ¡p ¡ 7 ¡

Matter Anti-Matter / Neutrino Synergy � SEESAW ¡MECHANISM ¡ 100 ¡GeV ¡TO ¡GUT ¡SCALE ¡ LIGHT ¡ υ ¡ HEAVY ¡MAJORANA ¡ υ Decay ¡ LEPTON ¡ASYMMETRY ¡ Sphaleron ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡Interac:ons ¡ BARYON ¡ASYMMETRY ¡ 0 υ ββ ¡EXPERIMENTS ¡ υ ¡OSCILLATION ¡EXPTS ¡ cLFV ¡EXPTS ¡ 8 ¡ Mark ¡Lancaster ¡: ¡Intensity ¡Fron:er ¡Expts ¡ IoP ¡QMUL ¡: ¡Apr ¡2012 ¡: ¡p ¡ 8 ¡

Lepton Flavour Violation / Baryongenesis � arxiV:1012.1834 ¡ κ 1 , κ 2 , γ 1 , γ 2 symmetry breaking parameters 9 ¡ Mark ¡Lancaster ¡: ¡Intensity ¡Fron:er ¡Expts ¡ IoP ¡QMUL ¡: ¡Apr ¡2012 ¡: ¡p ¡ 9 ¡

Complementary � To ¡neutrino ¡& ¡LHC ¡programme ¡ Region ¡to ¡be ¡probed ¡by ¡ ¡ # ¡LFV ¡events ¡at ¡100/_ ¡LHC ¡ ¡ MEG ¡in ¡next ¡1-­‑4 ¡years ¡ ¡ DAYA ¡BAY ¡ ¡ ¡ ¡ ¡RENO ¡ ¡ SUSY ¡m 1/2 ¡(GeV) ¡ B ¡(μ  eγ) ¡ sin 2 (θ 13 ) ¡ SUSY ¡m o ¡(GeV) ¡ arxiV:1012.1834 ¡ arxiV:1011.1404 ¡ Mark ¡Lancaster ¡: ¡Intensity ¡Fron:er ¡Expts ¡ IoP ¡QMUL ¡: ¡Apr ¡2012 ¡: ¡p ¡ 10 ¡

Intensity / Rarity Frontier Programme � Intensity ¡ Rare ¡B ¡decays ¡ Nick ¡Brook ¡ Neutrino ¡oscilla:ons ¡ Jenny ¡Thomas ¡ Rare ¡kaon ¡/ ¡muon ¡/ ¡tau ¡decays ¡ THIS ¡TALK ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ Rogue ¡dipole ¡moments ¡ Rarity ¡ 0νββ ¡decay ¡ Simon ¡Peeters ¡ Dark ¡Maeer ¡ Jocelyn ¡Monroe ¡ Mark ¡Lancaster ¡: ¡Intensity ¡Fron:er ¡Expts ¡ IoP ¡QMUL ¡: ¡Apr ¡2012 ¡: ¡p ¡ 11 ¡

Where ? � PSI ¡ CERN ¡ ILL ¡ Staged ¡programme ¡over ¡next ¡15 ¡years ¡ ¡ ¡ MEG ¡ NA62 ¡ ¡ ¡nEDM ¡ Mu3e ¡? ¡ ¡ EDM ¡? ¡ nEDM ¡ J-­‑PARC ¡ FNAL ¡ ¡ COMET ¡ (g-­‑2) ¡ (g-­‑2) ¡ ¡ EDM ¡ KOTO ¡ Mu2e ¡ PRISM ¡? ¡ ORKA ¡? ¡ Project-­‑X ¡? ¡ Osaka ¡ SNS ¡ MuSIC ¡ nEDM ¡ Muon ¡Experiments ¡ Kaon ¡Experiments ¡ Neutron ¡EDM ¡ Mark ¡Lancaster ¡: ¡Intensity ¡Fron:er ¡Expts ¡ IoP ¡QMUL ¡: ¡Apr ¡2012 ¡: ¡p ¡ 12 ¡

Why Now ? � Neutrino ¡oscilla:ons ¡tell ¡us ¡that ¡lepton ¡flavour ¡ ¡ is ¡not ¡sacrosanct. ¡ Hints ¡of ¡new ¡physics ¡in ¡the ¡muon ¡(g-­‑2) ¡. ¡ Accelerator ¡advances ¡now ¡allow ¡O(MW) ¡ proton ¡beams ¡and ¡for ¡sufficient ¡# ¡μ, ¡K ¡to ¡ probe ¡the ¡theore:cally ¡interes:ng ¡ ¡regions ¡ e.g. ¡ ¡that ¡defined ¡by ¡new ¡LHC ¡physics. ¡ ¡ Expedited ¡by ¡synergy ¡with ¡neutrino-­‑factory ¡ and ¡muon ¡collider ¡R&D. ¡ ¡ Mark ¡Lancaster ¡: ¡Intensity ¡Fron:er ¡Expts ¡ IoP ¡QMUL ¡: ¡Apr ¡2012 ¡: ¡p ¡ 13 ¡

Why Now ? � Pontecorvo ¡(Dec ¡1947) ¡ Liverpool ¡1959. ¡ Factor ¡of ¡10-­‑10,000 ¡improvements ¡in ¡sensi:vity ¡in ¡near ¡future. ¡ Mark ¡Lancaster ¡: ¡Intensity ¡Fron:er ¡Expts ¡ IoP ¡QMUL ¡: ¡Apr ¡2012 ¡: ¡p ¡ 14 ¡

Muon / Tau LFV � SM ¡is ¡O(10 -­‑50 ) ¡ Observa:on ¡ IS ¡new ¡physics ¡ No ¡SM ¡theory ¡systema:c ¡ How ¡far ¡we ¡can ¡probe ¡is ¡limited ¡by ¡experiment ¡ Mark ¡Lancaster ¡: ¡Intensity ¡Fron:er ¡Expts ¡ IoP ¡QMUL ¡: ¡Apr ¡2012 ¡: ¡p ¡ 15 ¡

Sensitive to heavy neutrinos � Super-­‑B ¡ BaBar ¡ MEG ¡2010 ¡ MEG ¡2011 ¡ MEG ¡2015 ¡? ¡ Daya ¡Bay ¡= ¡9 0 ¡ hep-­‑ph/0610439 ¡ Mark ¡Lancaster ¡: ¡Intensity ¡Fron:er ¡Expts ¡ IoP ¡QMUL ¡: ¡Apr ¡2012 ¡: ¡p ¡ 16 ¡

Muon LFV � Sensi<vity ¡to ¡ ¡widest ¡variety ¡of ¡BSM ¡models. ¡ Different ¡ SUSY ¡ and ¡ non-­‑SUSY ¡ BSM ¡models. ¡ Large ¡effects ¡ Visible ¡but ¡small ¡ No ¡sizeable ¡effect ¡ W. ¡Altmannshofer, ¡et ¡al ¡Nucl. ¡Phys. ¡B ¡830 ¡17 ¡(2010) ¡ Mark ¡Lancaster ¡: ¡Intensity ¡Fron:er ¡Expts ¡ IoP ¡QMUL ¡: ¡Apr ¡2012 ¡: ¡p ¡ 17 ¡

Process Ratios are Model Dependent � but ¡not ¡always… ¡ In ¡general ¡in ¡BSM ¡models ¡ ¡ 1 ¡ BR ¡(μN  eN) ¡ BR ¡(μ  eγ) ¡ e.g. ¡“Lielest ¡Higgs ¡model” ¡with ¡T-­‑parity ¡(LHT) ¡ Blanke ¡et ¡al, ¡Acta ¡Phys.Polon.B41:657,2010 ¡ Mark ¡Lancaster ¡: ¡Intensity ¡Fron:er ¡Expts ¡ IoP ¡QMUL ¡: ¡Apr ¡2012 ¡: ¡p ¡ 18 ¡