K + 中間子 稀 崩壊による” 新しい物理” の探索小松原 健 (KEK 素粒子原子核研究所)
科研費特定領域研究会「質量起源と超対称性物理の研究」
2003.March.05 @筑波大学1

内容 (36 slides):• 物理: K 中間子と 質量起源と 超対称性
• K + → π +νν̄ 実験の現状 (BNL-E949)• 将来の実験に向けた R&D:
– J-PARC JHF 実験 [LoI04], 静止 K + 崩壊
– FNAL CKM 実験, K + 崩壊 in flight2

古い？物理: K 中間子と 質量起源 (1)0 → π +π −• CP の破れ (1964), KL– R.D.Peccei, hep-ph/0209245:
it seems very natural to assume that the experimentally observed CP violation is due to the presence of a scaler sector in the theory. Indeed, personally I think that the existence of CP violation at
low energy is as compelling evidence for a Higgs field
as are the precision electroweak tests which suggest the presence of a light Higgs boson, ..

3

K 中間子と 質量起源 (2)• scaler 場 でなければ fermion 対の凝縮
Techni-Color 理論⇐K 中間子の稀崩壊探索 @’80-’90:
Flavor Changing Neutral Currents は(ナイーブな)TC の予言するレベルには無い!

4

今の物理: 標準模型 SM での K + → π +νν̄∆S = 1 の FCNC (GIM suppression):• W ± /Z 0 のループ

• Mt (170GeV/c2 )>> Mc , Mu が支配• λt ≡ Vts∗ · Vtd= −A2 λ5 · (1 − ρ − iη)
稀 だが重要 [ ρ と η ]







5R (cm)

K + → π +νν̄ の最新結果
BNL-E787 実験 (-1998), PRL88(2002)041803• π + の Range と Energy

4644• BOX を “見ないで解析”4240• 95-97 98 MonteCarlo3836• 分岐比+1.75(1.57−0.82) × 10−103432302890

100110120130140150

E (MeV)• バックグラウンド
0.15±0.05 events
Pb = 0.02% (3.5σ)
6SM での K + → π +νν̄: 分岐比4.11 × 10−11 · A4 · X(xt )2 · [ (ρ0 − ρ)2 + η 2 ](ρ, η) from ²K , |Vub /Vcb |, ∆MBd , ∆MBs⇓
SM の予想: (0.72 ± 0.21) × 10−10 (純理論の不定性 ∼ 7%)7

(ρ, η) @ICHEP2000 Y.Nir, hep-ph/0208080
K 中間子

B 中間子
11

∆md+

∆ms & ∆md

εKsin 2βWA0ηη+K → π νν

0|Vub/Vcb||Vub/Vcb|

εK-1-1CKM

CKM

packagepackagefitterfitter-10ρ

12-10ρ

12²0 /²: 理論不定性 大8

理論不定性の小さいモードだけで (ρ, η) を決める
D’Ambrosio, Isidori: PLB530(2002)108−
ηsin (2β)

1∆Md /∆M s0.8K πνν−

0.60.40.2–1–0.8–0.6–0.4–0.2

0.2

0.4

0.60.81−ρ∆MBs > 15 ps−1, sin(2β) = 0.79 ± 0.10
* |∆MBd /∆MBs | ⇒ K + → π + νν̄ の分岐比 < 1.32 × 10−109

K 中間子による 新しい物理

10新しい物理: 超対称性

















squarksdνν• 超対称粒子(squarks, gauginos)のループ→ squark 質量行列の測定• R パリテイを破る squarks• 分岐比の ずれ は数十%のレベル← 要精密測定11

++ -Branching Ratio (K →π νν)-610-710-810-910-1010-11101970

1980

1990

2000

2010

Year
12

BNL E949 国際共同実験• 日: 福井大, KEK, 京大, 阪大, RCNP, 東大, ...
• 米: BNL, FNAL, Stony Brook 大, New Mexico 大• 加: Alberta 大, British Columbia 大, TRIUMF• 露: IHEP, INR
米国 DOE 承認 (1999), 建設 (-2001),
エンジニアリングラン (2001),
物理ラン (2002-)

1314

AGS (25GeV): ≥ 60 × 1012(Tera) protons per spill

15

静止 K + 崩壊 → π + + “nothing”
三体崩壊 (Pπ+ < 227MeV/c)

Arbitrary Unit

– 運動量µ+ ν (.63)+ 0π π (.21)+ + -π π π (.056)– 運動エネルギー+ 0µ π ν (.032)+πνν+ 0 0πππ(.017)– レンジ0e π ν (.048)

Search Region

050100150• Kinematics:

200

Momemtum (MeV/c)

バックグラウンド の除去

250• µ+ の検出⇐⇒ K + → µ+ν

300• 余計な粒子 (γ) の検出⇐⇒ K + → π + π 016

700 MeV/c DC-separated K + beam
+ solenoidal spectrometer
BARREL γ VETO

B4 COUNTERS

π+COLLAR COUNTERRANGE STACKCOLLAR COUNTER+K

MICRO COLLAR

CERENKOV COUNTERBEAM CHAMBER 1

TARGET

BEAM CHAMBER 2BE-O DEGRADER

END CAP γ VETOBARREL γ VETODRIFT CHAMBEREND CAP γ VETORANGE STACK STRAW CHAMBERS

17

18

(b)

BarrelDrift
VetoChamber
Range Stack50 cm

T
I RSSC
Target19π + → µ+ → e+ decay chain
500-MHz waveform digitizers [TD] で記録

online+offline での µ+ の除去 (> 105 )20

γ の検出 ⇒ Veto






BarrelVetoRange
Stack(b)RSSC
EndcapVeto

T

K+BeamTarget(a)50 cm


C
B4I
DegraderDrift Chamber

BarrelDrift
VetoChamber
Range StackTI RSSC
Target21

E949 実験のための増強
BarrelVeto
BVL
Range
Stack
RSSC
Endcap+(b)TCollar

K BeamC UPV(a)50 cm

BeO B4AD

TargetI
Drift Chamber

BVL
BarrelDrift
VetoChamber
Range StackTI RSSC
Targetトリガー/モニター/DAQ/ ... (next talk by 吉岡)22E949 2002 ラン• ∼3months for E949
• 21.5GeV, 2.2sec/5.4s
で運転• 1.2 MHz live stoppedkaons (×2 of E787)• 解析進行中23

E949 2003 –• 25GeV, 4.1sec/6.4s (×1.4) で運転 (as proposed)• run supported by NSF: 交渉中• goal:– 6000 hr– sensitivity (8 − 14) × 10−12 , ∼ 10 SM 信号イベント– |Vts∗ · Vtd | to 20-30%• Sure, the show must go on!!

24

J-PARC JHF(50GeV PS) L04:
Letter of Intent forStudy of the Rare Decay K + → π +νν̄
with Stopped Kaon Beamat J-PARC
Contact person: Takeshi K. Komatsubara (KEK)* All the LoI’s (30 in total) are available at:
http://psux1.kek.jp/∼jhf-np/LOIlist/LOIlist.html .
25

静止 K + 崩壊で 50 ∼ 100 イベント測定できるか？

• > 2Tesla spectrometer– 運動量分解能– コンパクトな測定器? ファイバ stack? クリスタル barrel– セグ メントを向上• ビーム条件の最適化
50GeV, 0.7s/3.42s→ 30GeV, 1.7s/4.42s

26

beam counter: dE/dx 測定 → K + /π + 分離
Barrel
Veto
Range
Stack
RSSC
EndcapVeto

T+
K Beam(a)TargetC
B4I
DegraderDrift Chamber

27

Silicon Strip beam detector !"

π+01

#$#%'&()*,++-/-.

 

• K + が静止するまでtarget 中で進む距離

dE/dx と 位置測定の精度の向上• セグ メント→ 高い rate に対処

28

new waveform digitizers
8-bit, 500MHz• E787/E949:– flashADC(BNL で開発)– GaAsCCD(TRIUMF で開発)
– by early 90’s,
FASTBUS• 低 power で安価→ 多 channel• flashADC• VME 仕様
テストボード を開発中

29

FNAL Charged Kaons at the Main Injector (CKM) 実験uc

CKM Apparatus

t

CK
M
dKaon
Entrance
Angle
Tracker
Beam
Time
Stamp

Exit
Time
Plane

Forward
Veto

Pion RICH
1 atm Neons b
Conversion
Veto
Plane
BM109
Magnet
Hole
Veto

Kaon
RICH
.7 atm
CF4Upstream
MagneticSpectrometer
50 MHzSeparated
K+ Beam
22 GeV/c

VacuumVeto

BeamInteraction
VetoBeam
Dump
Downstream
MagneticSpectrometer

Muon
VetoK + 崩壊 in flight → π + + “nothing”
30

• “velocity spectrometer” (RICH counters)• Tracker and Photon Veto in 10−6 Torr
• higher energy (120GeV MI, 22GeV/c K + )→ µ+ , γ rejection31• 95 signal events(S/N=10)• status:– Scientific approvalby FNAL (2001)– R&D in progress,
reviewed in future32

High Rate 実験での分散処理:パラレル（ BUS ）ではなくシリアル

Serial “data-link” for front-end readout33

将来の実験に向けた R&D:
静止 K + 崩壊 :• Silicon Strip beam detector• new waveform digitizers• 無機-酸化物-結晶の応用開発– P bW O4 (タングステン酸鉛):
放射線に強く重いČ 放射体– Gd2 SiO5 (GSO): 高感度シンチレータ
K + 崩壊 in flight :• Serial “data-link”• wave-length shifter “fiber” による読み出し
34

まとめ:

• K + → π + νν̄: “新しい物理” を探索する実験• BNL-E949: 最初の物理ラン (2002) を解析中
• R&D (静止 K + 崩壊, K + 崩壊 in flight):– Silicon Strip beam detector– new waveform digitizers– Serial data-link, ..
35

flagship

( ) * +,).--/     "!$#%  '&
36backup slides

37新しい物理: Extra Dimensions ?
a model with one universal ExtDim→.0/ 1 enhancements to FCNC

Kaluza-Klein modes$$!" 

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34 5=: >EC FMN O

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Buras et al., hep-ph/0212143
38