PRISM RCNP RCNP - PowerPoint PPT Presentation

PRISM 計画と RCNP での展開案 大阪大学 大学院理学研究科 佐藤 朗 RCNP 研究会「ミューオン科学と加速器研究」 2010 年 2 月 23 日 -24 日 2010 年 2 月 24 日水曜日

Outline • Mu-e conversion • Limits for the COMET and Mu2e experiment • signal sensitivity • high-Z stopping material • PRISM concept • R&D results • Future R&D plans at MUSIC • Summary 2010 年 2 月 24 日水曜日

荷電レプトンのレプトンフレーバ保存の破れ かからないレベル。 を予言している。実験感度を数桁向上さ せることで発見されるの可能性が高い。 • 標準理論 (m ν =0) では反応の前後で世代毎のレプトン数が保存される。 • ν 振動の発見により中性レプトンではレプトンフレーバ保存が破れた。 MNS 行列 • 荷電レプトンでは未だ発見されていない。 cLFV 過程は本当にないのか？ • ニュートリノ振動を考慮した標準理論で 動 振 はの分岐比の予言値は O(10 -50 ) と観測に ノ リ ト ー ュ ニ • cLFV 過程の観測は新物理を意味する。 • 多くの理論モデルが大きな cLFV 分岐比 合 混 代 世 の ン ト プ レ ) V 電 F L 荷 c ( 2010 年 2 月 24 日水曜日

の の分岐比の測定により右巻きニュートリノ質量を決定で 岐比の計算。実験の上限値は 過程の分 超対称性シーソー理論による 図 果たすと期待されている。 過程の探索はこれらの理論の検証に大きな役割を 統一やシーソー機構により大きく向上する。したがって、 過程の分岐比は、超対称性と力の大 このように 。 きることが示唆されている の重い右巻きニュートリノの質量に依っているので、そ で 現象の大きさはこ に示すように の理論では、図 。こ 質量項に対してフレーバーを破る量子補正を生む バー対称性が破れており、この相互作用がスレプトンの 。ニュートリノの湯川相互作用ではフレー である 宇宙のバリオン数非対称のシナリオを与える有力な理論 より。 分岐比。原図は参考文献 の超対称性大統一理論による 実験のデータ ある。上線より 超対称性理論による予言の例 粒子の両方が発見されると期待されている 大強度加速器を用いることで高エネルギーフロンティア実 粒子が存在する可能性である。精密フロンティア実験では で到達可能なエネルギー領域を越えたスケールに超対称 ろうか？ 次の二つの可能性が考えられる。一つは、 で超対称粒子が発見されない場合はどうだ では、 理論について重要な糸口を与えることになる。 レプトン混合についての知見が得られ、その背後にある 過程の探索によりス 超対称粒子が発見されれば、 で 。 ではヒッグス粒子と超対称性 の場合の結果である。参 てきた。現在建設中の 高エネルギーフロンティア実験と相補的な役割を果たし に代表される高エネルギー加速器を用いた や 素粒子物理学の発展において、精密フロンティア実験は、 ができる。この研究手法を精密フロンティア実験と呼ぶ。 で超対称性などの高いエネルギー領域の物理を探ること など、保存則や対称性の破れを高い精度で検証すること 荷電レプトンのレプトンフレーバー非保存過程の探索 との関係 より。 考文献 図 験は到達できないエネルギースケールの物理も探ること 大強度加速器を用いることで高エネルギーフロンティア実 現象の大きさはこ 過程の分 超対称性シーソー理論による 図 果たすと期待されている。 過程の探索はこれらの理論の検証に大きな役割を 統一やシーソー機構により大きく向上する。したがって、 過程の分岐比は、超対称性と力の大 このように 。 きることが示唆されている の分岐比の測定により右巻きニュートリノ質量を決定で の重い右巻きニュートリノの質量に依っているので、そ に示すように 実験のデータ の理論では、図 。こ 質量項に対してフレーバーを破る量子補正を生む バー対称性が破れており、この相互作用がスレプトンの 。ニュートリノの湯川相互作用ではフレー である 宇宙のバリオン数非対称のシナリオを与える有力な理論 より。 分岐比。原図は参考文献 の の超対称性大統一理論による 図 岐比の計算。実験の上限値は で 粒子が存在する可能性である。精密フロンティア実験では ではヒッグス粒子と超対称性 で到達可能なエネルギー領域を越えたスケールに超対称 ろうか？ 次の二つの可能性が考えられる。一つは、 で超対称粒子が発見されない場合はどうだ では、 理論について重要な糸口を与えることになる。 レプトン混合についての知見が得られ、その背後にある 過程の探索によりス 超対称粒子が発見されれば、 で 。 粒子の両方が発見されると期待されている てきた。現在建設中の ある。上線より 高エネルギーフロンティア実験と相補的な役割を果たし に代表される高エネルギー加速器を用いた や 素粒子物理学の発展において、精密フロンティア実験は、 ができる。この研究手法を精密フロンティア実験と呼ぶ。 で超対称性などの高いエネルギー領域の物理を探ること など、保存則や対称性の破れを高い精度で検証すること 荷電レプトンのレプトンフレーバー非保存過程の探索 との関係 より。 考文献 の場合の結果である。参 験は到達できないエネルギースケールの物理も探ること SUSY-GUT(SU5) PRISM-Phase 1 COMET PRISM PRISM-Phase 2 2010 年 2 月 24 日水曜日

J-PARC における µ-e 転換探索実験の提案 COMET PRISM Production Target Stopping Target B ( µ − + Al → e − + Al ) < 10 − 16 B ( µ − + Ti → e − + Ti ) < 10 − 18 • ミューオン蓄積リングなし • ミューオン蓄積リングあり • 遅い取り出しによるパルス陽子ビーム • 速い取り出しによるパルス陽子ビーム • J-PARC ハドロン実験室を検討 • ハドロン実験室または新しい実験室を検討 • 第一段階の実験 • 第二段階の実験 proposal 提出、 J-PARC E21 LoI を提出 2010 年 2 月 24 日水曜日

Muon - Electron Conversion 1s state in a muonic atom Neutrino-less muon nuclear capture (= μ -e conversion) nucleus  + ( A , Z )  e  + ( A , Z ) µ µ  signal : m µ − B µ ∼ 105 MeV muon decay in orbit   e   µ nuclear muon capture  N ) =  ( µ  N  e  N )  + ( A , Z )   µ + ( A , Z  1)  N  e B ( µ µ  N   N  ( µ ' ) 2010 年 2 月 24 日水曜日

COMET and Mu2e(MECO-type): B ( µ − + Al → e − + Al ) < 10 − 16 Solenoid channel Production Target Stop µ - at the stopping targets. ID single electron from the target and measure its energy precisely. Stopping Suppress backgrounds strongly. Target Muon Calorimeter Stopping Target Tracker Target Muon Beam Shielding Proton Collimators Target Pions Electrons Muons Detector Solenoid Transport Solenoid Production The MECO type experiments have some limitation on achievable Solenoid sensitivity and physics studies. 2010 年 2 月 24 日水曜日

Limits for the MECO type experiments • A signal sensitivity < 10 -17 would be impossible with the MECO-type experiments. • large flux of prompt backgrounds. ex. pion radiative decay etc • thick stopping target makes insufficient electron energy resolution. • Measurement efficiency with high-Z stopping target would be poor. 2010 年 2 月 24 日水曜日

Decay-in-Orbit Background BR~10 -16 COMET • To distinguish the signals from the DIO backgrounds, electron energy must be reconstructed with sufficient resolution. The present resolution is dominated by the distribution of the energy loss in the stopping target. 2010 年 2 月 24 日水曜日

Decay-in-Orbit Background (cont.) BR~10 -18 PRISM • To achieve a signal sensitivity < 10 -18 , we need improve the energy resolution. • Thinner stopping targets with a sufficient muon stopping efficiency is necessary. --> Mono-energetic muon beam is useful! 2010 年 2 月 24 日水曜日

Limits for the MECO type experiments • A signal sensitivity < 10 -17 would be impossible with the MECO-type experiments. • large flux of prompt backgrounds. ex. pion radiative decay etc • thick stopping target makes insufficient electron energy resolution. • Measurement efficiency with high-Z stopping target would be poor. 2010 年 2 月 24 日水曜日