PRISM と

-lepton flavor violation

青木正治　大阪大学

国際高等研究所「物質の起源研究会」平成１４年１月１６ー１８日

14 1 16-18平成 年 月日

青木正治、「物質の起源研究会」 2

もくじ

イントロダクションe

MEG (PSI)e-A 変換

MECO (BNL)PRISM

PRISM 概要PRISM と e-A 変換 , PRIME

まとめ

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-lepton flavor violation Li eeee ± 変

換

Li e- 変換 変換

Li

KL → eK+

→ ++e-

B → e

Li K+

→ -++

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LFV 探索の現状Reaction 90% CL Upper LimitB(

+

→ e ) . × 0

−

B(

+

→ e

+

e

−

e

+ ) . 0 × 0

−

B(

−

Ti → e

−

Ti ) 6 . × 0

− 3

B(

−

Pb → e

−

Pb ) 4 . 6 × 0

−

B(

−

Ti → e

+

Ca ) . 7 × 0

−

P(

+

e

−

→

−

e

+ ) 8 . 3 × 0

−

B( τ → e ) . 7 × 0

− 6

B( τ → ) . × 0

− 6

B( τ → ) . 9 × 0

− 6

B( τ → eee ) . 9 × 0

− 6

B( KL

→ e ) 4 . 7 × 0

−

B( K

+

→

+

+

e

− ) . × 0

− 0

B(

KL

→ π

0

μ

±

e

m ) 6 . 2 × 10

− 9

B( D

0

→ μ e ) 8 . 1 × 10

− 6

B( D

0

→ τ e ) 5 . 3 × 10

− 4

B( D

0

→ φ μ e ) 3 . 4 × 10

− 5

B( B → μ e )3 . 5 × 10

− 6

B( B → K μ e )1 . 8 × 10

− 5

B( Z → μ e )1 . 7 × 10

− 6

B( Z → τ e ) 9 . 8 × 10

− 6

B( Z → τ μ ) 1 . 2 × 10

− 5

Based on a table written by Y. KunoUpdated in August, 2000

ミュオンが大変健闘し

ている

•質量が比較的小さい為、大量に生成可能

•統計を上げやすい

•寿命が比較的長い

•実験しやすい

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-LFV 探索の歴史

10-1410-1210-1010-810-610-410-2

1940195019601970198019902000Year

KL0→eK+→eA→eA→eee→e

After Yoshitaka Kuno

Since 1948 E.P. Hincks and B. Pontecorvo, PR 73

(1948) 257

稀崩壊の歴史 =

-LFV 探索の歴史

10 年毎に 2 桁 !!

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LFV と SUSY-GUTLFV diagram in SUSY-GUTLFV diagram in Standard Modelmixing in massive neutrinosµeµeBmixingµemixingννeWlargetopYukawacoupling

∝ ( mν

/ mW

)4

≈ 10− 26

~

SUSY-GUTLi slepton mixing現在の実験精度

からわずか数桁下

Standard Model + Neutrino MassNeutrino mixingVery small

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e 探索

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→ e と A → e-A

Γ ( μ → e ) ≈ 16 α4

Z5

| F3

( q ) |2

Γ ( μ → e γ )

Γ ( μ → e γ ) ≈α

4

| F2

|2

mμ

5

m˜ μ

4Γ ( μ → e γ )SO ( 10 )

≈m

τ

mμ

⎛

⎝

⎜ ⎞

⎠

⎟

2

Γ ( μ → e γ )SU ( 5 )

F2

∝ ( Δ m2

)μ e

≈ − V31

*

V32

I ( yt

)

e

e conv.

τ

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Signal と Background信号の特徴

Ee=m/2, E=m/2 (=52.8 MeV)e=180back-to-back)同時計測

バックグランドビームバックグランド

radiative muon decay eννニュートリのエネルギーが小さい場合

アクシデンタルバックグランドe+ in eννineνν in e+e- annihilation in flight

e +

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e/MEG 目標感度 : 10-14

ソレノイド電磁石e+

Constant Bending Radius (COBRA) spectrometer

a solenoid field with gradient to keep 52.8 MeV e+ following a constant radius.

液体 Xenon カロリメータ

high light yield PMTs surrounded (mini-

Kamiokande type) Duty factor = 100% start in 2004 ?

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バックグランド

After Y. Kuno and Y. Okada

Accidental Background∝ Rμ( )2×ΔEe × ΔEγ( )

2×Δteγ × Δθeγ( )

2

Be04

Nb = 0.5 events

Be06

•R = 1010 /s

•Nb ~ 104 events?B(μ− +Ti → e− +Ti)

B(μ+ → eγ)≈

1230

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e-A 変換

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e-A 変換muonic atom (1s state)

neutrinoless muon nuclear capture (=e-A 変換 )

muon decay in orbit

原子核

−→ e−ν ν −+ (A, Z) → ν μ + (A,Z −1)nuclear muon capture

−+ (A, Z) → e− + (A,Z )

Li

B(−N→ e−N) =Γ(−N → e−N)Γ(−N → νN')

コヒーレント process

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Signal と Background 信号の特徴 (Z5)

単色電子の放出 Emax = (m-B) MeV バックグランド

アクシデンタルバックグランド無しmuon decay in orbit (Emax - Ee)5)

エンドポイントエネルギーは信号と同じradiative muon capture with photon

conversion標的の選定により低減可能

pion capture with photon conversionビームからのパイオンの徹底的な排除

cosmic ray

−+ (A, Z) → e− + (A,Z )

€

μ−+(A,Z) → νμ +(A,Z−1)+γ

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E940 aim at B(AleAl-16at BNL AGS MECO

5x1011-/spill, 1.1MHz pulse8GeV proton beam at AGS high field capture solenoid of 4T

schedule : 2006 start ???

MECO at BNL-AGS

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現在までの主な実験 , 準備中の実験

1) PSI experiment ( 解析中 ) 2) BNL-E940 (MECO) experiment (2004)

3) PSI experiment (2003)

これからの方向さらなるミュオン強度の向上バックグランドの低減

-LFV の現状（まとめ）

Current limits Near future PRISM

−

N → e

−

N < 6 . × 0

− 3

< 0

− 4

)

< 0

− 6

)

< 0

− 8

+

→ e

+

< . × 0

−

< 0

− 4

3 )

< 0

− 5

+

→ e

+

e

+

e

−

< . 0 × 0

− none < 0

− 5

Mu − Mu < 8 . 3 × 0

−

< 0

− 3

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-LFV の進むべき方向

→ e-A 変換へのフォーカス 事象の選別が簡単

Michel 崩壊からのバックグランドが無い ⇔ e e e

アクシデンタルバックグランドが無い ⇔ e 大強度陽子加速器へのコミット

ミュオンの収量はビーム強度に比例する。 大立体角ビームラインによる大強度ミュオンビーム 高品質なミュオンビームの実現

高い純度 パイオン起源のバックグランドの低減

低いミュオン運動量 <70 MeV/c 散乱バックグランドの低減

細いミュオン運動量幅薄いミュオン静止標的の使用 優れた e- 運動量分解能の実現 高エネルギー粒子による散乱バックグランドの低減

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PRISM

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高磁場大立体角パイオン捕獲

位相空間回転

PRISMPRISM (Phase Rotation Intense

Slow Muon source) = 稀崩壊実験に最適な大強度・高

輝度のミュオンビーム

QuickTime˛ Ç∆GIF êLí£ÉvÉçÉOÉâÉÄ

ǙDZÇÃÉsÉNÉ`ÉÉÇ å©ÇÈÇ…ÇÕïKóvÇ≈Ç∑ÅB

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PRISM 諸現

大強度ミュオン1011~1012 ±/秒

パルスミュオンバックグランド除去

高輝度 P = ±0.5-1.0 MeV薄い静止標的

高い e- 運動量分解能散乱バックグランドの低

減

低運動量ミュオン(68 MeV/c 以下 )

散乱バックグランドの低減

高純度ミュオンパイオンの混ざり込み

殆ど無しFFAG (150 m)

高エネルギー e±

殆ど無し

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PRISM の原理 大強度パルス状陽子ビーム 高ソレノイド磁場による大立体角パイオン捕獲 パイオン崩壊によるミュオン生成 位相空間回転によるミュオンの高輝度化

ニュートリノファクトリー

前段部分

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何もしなければ： βの大きい高エネルギー粒子の位相は速く進み、 βの小さい低エネルギー粒子の位相は遅く進む。

位相空間回転：高周波加速空胴を用いて、位相の速い粒子を減速し、位相の遅い粒子を加速する

位相空間回転

位相

エネ

ルギ

ー

位相

エネ

ルギ

ー

時間の経過

位相

エネ

ルギ

ー

位相

エネ

ルギ

ー時間の経過

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位相空間回転

位相空間回転前

位相空間回転後

運動量の幅が狭くなっている

一次ビームパルス幅 < 10 nsec

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PRISM の実装

大強度陽子加速器 50 GeV PS @ 東海村

0.77 MW, 1014PPP2007 年コミッショニング

大立体角パイオン捕獲12T, 5cm径PT < 90 MeV/c

位相回転器 Fixed Field Alternating

Gradient シンクロトロン水平アクセプタンス

10000π mm ・ mrad垂直アクセプタンス

3000π mm ・ mrad運動量アクセプタンス

±20%not in scale

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大強度陽子加速器KEK/JAERI 統合計画

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実験ホールと取出し方法

早い取出し< 10ns100Hz

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FFAG 位相回転器 Fixed Field Alternating Gradient シンクロト

ロン大河千弘考案

磁気合金内装型高周波加速空胴

200kV/m固体素子を用いた

高繰返しキッカー電磁石

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FFAG 位相回転器

phase (degree)

dp/p

(%)

鋸波で加速空胴を駆動した場合

3倍波まで重ね合わせる

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FFAG 原理の実証陽子 FFAG 実証機によるテスト

終了： 500 keV まで加速を確認

150 MeV 陽子 FFAG建設中 KEK ハドロン加速器グループ

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高磁場パイオン捕獲ソレノイドの開発

試験ソレノイド電磁石の製作11T ハイブリッド テスト 電磁石 (Nb3Sn,

NbTi)

目下テスト中KEK 低温センター

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ミュオン収量の評価 パイオン捕獲

PT<90 MeV/c (12T 5cm radius) FFAG アクセプタンス

10000 mm ・ mrad 水平 , 3000 mm ・ mrad 垂直 p/p = ±20%

In 20 MeV±(0.5-1.0)MeV

KEK/JAERI 統合計画 50-GeV PS 1014 proton/sec

ミュオン収量 = 1011-1012 ±/sec現在世界最高強度を誇る PSI のミュオン収量のおおよそ 10000倍 !!!

0.005 - 0.01 ±/proton

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PRIMEPRISM Muon Electron

Conversion

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PRIME 対 MECOPRIME MECO

É~ÉÖÉIÉì/sec 1012/sec(×4infuture)

×0/sec

~É ÉÖÉIÉì ^â ìÆ ó 68±MeV/c 5~90MeV/c √ê ~é ¯å ¶ó 80% 40%ïWìI çfióø T i (τ=39ns)

B(N→ eN)/B(→ e)≈/38A (l τ=880ns)B(N→ eN)/B(→ e)≈/389

ïWìI îz íu 0 ëw ëwìñ ΩÇ ÇË50m

7-5 ëw ëwìñ ΩÇ ÇË00m

e- ^â ìÆ ó ™ï âî\ 350keV(FWHM) 750keV(FWHM)™ë íË ¬â î\ »Ç ^É ÉC~É ÉìÉO

ëSéû ‘ä ¬â î\00%

Ér [Å ÉÄì¸ éÀíÜÇÕ‚í ~é50%

Ér [Å ÉÄèÉìx …ã Çfl ƒÇ çÇ ¢Ç ,,an deñ⁄ ïW ∏ê ìx 0-8 0-7

time time

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PRIME 計数率パルス当たりミュオン数は MECO よりも

104~105 倍高いMECO : 1 MHzPRIME : 100 Hz

測定装置に特別な工夫が必要となる :Spiral Solenoid Spectrometer

高アクセプタンス (>41%)高 DIO リジェクション (>109)極めて低く抑えられた計数率 (<10 per pulse)

Electron Accumulator RING (EARING)電子ストレージリングを用いた -e 変換電子のデバ

ンチ

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Spiral Solenoid Spectrometer

トーラス磁場による低エネルギー荷電粒子の除去

D : トーラス主軸に垂直な方向へのドリフト距離B [T] : トーラス磁場強度s : トーラス副軸方向の距離R : トーラス主半径pt, ps : 横、縦運動量

€

D=1

0.3BsR

(ps2 +1

2 pt2)

ps

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幅広い PRISM の応用素粒子物理学

Muonium-antimuonium 変換 - - + 変換

脳の研究muonic X-ray 測定 からの

バイオロジー 物性考古学 位相逆回転によるナノ秒ミュオンビーム

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まとめ

-LFV 、とりわけ |Li|=1過程の実験的研究は大変に重要である。

今後さらに -LFV の実験的な研究を飛躍的に発展させる為には、従来に無い程高品位で且つ大強度のミュオンビーム

が必要である。

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