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稀稀稀 K L 稀稀稀E391a 稀稀 • 稀稀稀稀稀 稀稀 • 稀稀稀稀稀稀 稀稀稀稀稀稀稀 • 稀稀稀稀稀稀 • 稀稀稀稀稀 稀稀稀稀 KEK) 稀稀 稀稀 稀 稀 稀稀 2004723 E391a: http://www-ps.kek.jp/e391/

稀崩壊 K L の実験・ E391a 内容 物理の背景・動機 測定の難しさ・我々のやりかた 測定器の建設 解析の現状 稲垣隆雄 ( KEK) 2004年7月23日

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稀崩壊 KL の実験・ E391a

  内容• 物理の背景・動機• 測定の難しさ・我々のやりかた• 測定器の建設• 解析の現状

稲垣隆雄 ( KEK)

2004年7月23日 理研E391a: http://www-ps.kek.jp/e391/

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E391a:The first dedicated experiment for the KL decay

KEK, Saga, Osaka, RCNP, Kyoto, NDA,Yamagata, Taiwan, Pusan, Chicago, JINR

KL decayIm(Vtd) measurement: CP violation processVery small theoretical ambiguityOnly top loop in SM clean and pureLast frontier in K-decay challenging

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Small theoretical ambiguity

Can be factorized, because

Rstrong ~ 1 GeV-1= 0.2 fm and

Rweak ~ MW -1

= 0.002 fm.

Cancelled the strong part by taking ratio with K

K

K

d

d

e

s

Rstong

Rweak

d

s

d

s

t

d

W

Correction for strong part at the internal loop is small due to high top mass. 3 %≦

l

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Comparison between K- and B- system for the determination of Unitary Triangle

Test of the Standard Model

( A. Buras hep-ph/9905437 )

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New Physics (1)

• Unitarity Triangle vertices

• Beyond Standard Models

K+

KL

ACP(BJ/KS)MBd/MBs

G. Buchalla hep-ph/0110313 L.Littenberg HEPAP(2001)

E391a

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New Physics (2)

• Several models beyond the Grossman-Nir limit

  Br(KL→π0νν) < 4.4× Br(K+→π+νν)

1.1×10-8 (proposal)  ⇒  1.7×10-9 (present) One of models is based on a CP conserving process due to lepton mixing

• New prediction by Buras et.al A systematic approach to the recent B→ππ, πΚdata by Belle and BaBar Suggest New Physics in the EW penguin sector

Br(KL→π0νν) : (2.6±0.5)×10-11 (SM)  ⇒  (3.1±1.0)×10-10 (New physics)

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Naturalty

Too large gap in the mass scale between SM and GUT

for elementary scalar field (Higgs)  ↓

δMH ~ O(MX), O(MP)

For MH ~ O(MW)

1. Compositeness at O(1 TeV)

2. Cancellation: SUSY at O(1 TeV)

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Decay through a Flavor Changing Neutral Current (FCNC)

• Zero contribution at tree-level in the SM:

good field for hunting

Y

Decay branching ratio (Br) ~ (g/g’)4(MW/MY)4

Br MY

1 100 GeV

10- 12 10 TeV

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CP violation is a longtime but still big problem

• Strong CP problem: hard to check through direct way; EDM, axion, etc.• Source of Baryogenisis

One possible way is to measure all FCNC processes with CP violation with high precision

・ △ b=1, 2 B-factories (Belle, Babar, CDF, BTeV, LHC-b)

・ △ s=2    ε + Lattice calculation

・ △ s=1

KL→π0νν is an only process which can be measure with a high precision.    

 

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Why it remains as a frontier?:

rare decay (Br ~ 10-11) and no definite kinematical constraint ⇒ very hard experiment

Two methods have been proposed:

・ KOPIO: Kinematical constraint as much as possible to be

a line shape for the main background from KL

・ E391a: “Meditation”, simply observe 2 γ(high PT )+ nothing

Difference is only in the last one order for background reduction, and S/N is different by at most a factor of 2. Basic problem is almost same.

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Hard for experimental study

(1) Requirement for tight vetoing

Veto is an only way to identify the KL decay from other KL decays.

A rejection of 8 orders of magnitudes (10-3 → 10-11) of photon vetoing against the background from KL and 10 orders of magnitude of charged-particles vetoing against Kl3 decays.

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Hard for experimental study

(1) Requirement for tight vetoing (continued)

• Full coverage by thick calorimeters

• They have to be sensitive down to the deposit energy below 1 MeV for photons and 0.1 MeV for charged particles

To build a large but sensitive detector:

against many accidentals, reemitted photons from activated nuclei and back splash in such a low energy ( because of 8-MeV binding energy of nucleus) using both of time and amplitude information.

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Hard for experimental study

(2) Hard to define the signal fiducial    Defining the fiducial region in both geometry and kinem

atics is crucial to reduce backgrounds from other decays, beam-related backgrounds and the backgrounds from outside decays

• Many particles exist at low momentum in the KL rest frame due to multi-prong decays of KL.

• Pointing to the decay vertex is not so accurate for photons.• Weak in vetoing at outside.

Pencil Beam: to select high PT events and to minimize the beam hole of the detector.

Double decay chamber and several collar counters: A special care for the beam entrance and exit.

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Hard for experimental study

(3) Special requirements

• High vacuum requirement KL Decay probability(/m):   e-(1/βγ c τ ) ~0.01 (1%)

Interaction rate (/m 1atm) : (n/K) ・ σnn→π0nn ・ Ntarget ~10 ・ 10-27 ・ 290.3×6×1023÷224 ~0.001 (0.1%)   → 10-10 atm (10-5 Pa, 10-7 Torr) is required for single event at the 10-

11 sensitivity

• Severe tolerance for dead material in front of detectors Deposit energy of 0.1MeV for charged particles corresponds to only 50mg/cm2, which is a tolerable thickness of material

These are incompatible with each other.↓

Our answer is differential pumping. Make high and low vacuum with a thin separator of special membrane.

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Hard for experimental study

(4) Requirement for high acceptance    S = 1 / (A ・ T ・ D)• S: single event sensitivity• A: acceptance for KL decay• T: data collection time • D: decay rate in the fiducial region      C(counting rate) > D S<10-13 , T=107 sec ↓ C > D > 10MHz for A=0.1 C > D > 100MHz for A=0.01

High acceptance is crucial for high sensitivity

KL beamDetector

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Step-by-step approach

E391a(O(10-10))

↓  J-PARC(O(10-

13))

~

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E391a apparatus

100-ton calorimeters are installed in vacuum chamber

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History

• Dec.1996: conditionally approved• Mar.1999: constructed the beam line• July 2001: approved• Oct. 2002: engineering run• Nov.2003: middle section (last vacuum cha

mber) arrived• 18 Feb. –June 30 2004: Start data taking• In fall 2004: first publication of physics result

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Upstream: Fy02Downstream: Fy01

Middle:Fy03

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Detector Integration

Jan 22, 2004

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Calibration in situ

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Develpment or first applicationof new techniques

• CeF3 crystal Published in NIM and patent• Plastic scintillator (injection molding) Published in NIM• Plastic scintillator (extrusion) Preparing a publication• High QE PMT at 500nm Published in NIM• Techniques for WLSF readout Preparing a publication• Ineff. measurement for γ(ES147)       Published in NIM• Ineff. measurement for γ(ES171)       Preparing a publication • Ineff. measurement for charged Published in NIM• n / γ separation for BA counter Published in NIM• Pencil beam line Preparing a publication  • Vacuum system Preparing a publication• Calibration method for CsI Preparing a publication• Large sampling calorimeter Preparing a publication• Electronics and DAQ Preparing a publication

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Clearly reconstructed KL decay modes

• KL • KL

6- invariant mass (GeV/c2) 4- invariant mass (GeV/c2)

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Z-vertex distribution for KL  

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Invariant mass of 4 (GeV/c2)

P T o

f ea

ch

0 (G

eV/c

)

Invariant mass of 4 (GeV/c2)

Cou

nts

Two event clusters in sample

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Expected sensitivity by Run 1

Sπνν=(A3π/Aπνν/Y3π) ・ Br3π,

A3π/Aπνν ~ 1/20

Y3π ~ 19(/spill) ・ 7.2×103 ( spill/shift) ・ (300-80-3×15)(shifts) ・ 80 shifts: cooling water trouble(30)+tuning with shared beam(30)+tuning with full

beam(20) ・ 3×15 shifts: 3 special runs (air, short bunch, π0 calibration)

~ 2.4×107

Br3π =   0.21

Sπνν ~ 4.3×10-10 ⇔ 8.6×10-10

  

    If we get another 200 shifts, we can double the statistics.

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Future prospect

• Run 2 in 2005 (requesting) To make more critical check in the frontier region Run must be more efficient because detector is ready for prompt start a

nd valuable because tuning parameters can be re-polished. New methods for JPARC experiment can be tested.

・  High sensitive experiment at JPARC (LOI-05) Regular video meeting is started for detailed planning. Key issues: “based on E391a” and “goal must be an ultimate measure

ment (>100 SM events)”. Mile stones: conceptual design (scenario) by NP04 (August 2004) and

full proposal will be submitted within official schedule for day-one.    

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A-line plan at JPARC

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Summary• KL decay is pure and clean mode to measure a basic

parameter of the SM and to look for new physics.• The decay is the last frontier remaining in K-decay field.• E391a is the first dedicated experiment for KL decay.

Several techniques have been developed to challenge this hard experiment.

• We will achieve the goal of 10-13 sensitivity (>100 SM events) redundantly using the present KEK 12-GeV PS and then the JPARC 50-GeV PS.

• E391a data taking started on 18 Feb.2004 as scheduled. and the Run-1 successfully finished on 30 June. We are asking to double the statistics by Run-2 in 2005.

• The quality of the collected data looks fine.• We are expecting a continuous support and specially asking for

your join.