2004/04/12 KUHEP2004　K中間子実験グループの研究紹介 1

K 中間子実験グループの研究紹介

森井　秀樹

Introduction ─ なぜ K 中間子？

京都グループのメンバー紹介

実験紹介

E949 実験

E391a 実験

KOPIO 実験

まとめ

Contents

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Introduction ─ なぜ K 中間子？

K 中間子で何が分かるのか

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K 中間子の物理 ─ 何が面白い？

なぜ K 中間子を研究するのか？　→基本的な対称性をテストする良い実験場 基本的な対称性

C （粒子・反粒子変換） P （鏡像変換） T （時間反転）＋これらの組み合わせ

C×P ， C×P×T ， etc.

世界はこれらの変換に対して対称なのか？( 宇宙は粒子が多く反粒子が少ないが 説明可能？･･･ )

Introduction ─ なぜ K 中間子？

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少し復習 標準模型･･･ 強い相互作用

担い手対称性 : C, P, CP ○

電磁相互作用担い手対称性 : C, P, CP ○

弱い相互作用担い手対称性 : C, P, CP ×

弱い相互作用では対称性が破れている！( なぜ？ どの程度？ )

Introduction ─ なぜ K 中間子？

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クォークの世代間混合 ─小林益川行列

λ～ 0.22

Introduction ─ なぜ K 中間子？

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ユニタリ三角形と K 中間子 ( と B 中間子 )

理論的不定性の小さいモード

Br(KL→π0νν)∝η2

Br(K+→π+νν)～ |Vtd|2

Br(B→J/ΨKS)∝sin2βΔms/Δmd∝|Vts/Vtd|2

⇒ 小林益川行列の要素を精密に測定可能！

高さ

=CP

の大

きさ

Introduction ─ なぜ K 中間子？

L

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メンバー紹介

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K 中間子実験と京都グループの活動

京都の K 中間子実験グループ スタッフ：笹尾 , 野村 荷電 K 中間子実験 K+→π+νν

― E949 実験 : 溝内 (D3) 中性 K 中間子実験 KL→π0νν

― E391a 実験 : 隅田 (D2)― KOPIO 実験 : 横山 (D1), 森井 (D1), 白井 (M2), 谷口 (M2)

京都グループのメンバー紹介

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実験の紹介 (1)

E949 実験

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E949 実験─荷電 K 中間子稀崩壊測定 K+→π+νν 測定実験＠ BNL 分岐比 ～ |V*

tsVtd|2 : ユニタリ三角形の斜辺

～ 8×10-11 ( 標準模型 ) E787 からのアップグレード 最近結果を報告！

実験紹介 ─ E949 実験

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E949 実験─コンセプト K+→π+νν : 観測可能な粒子は π+ のみ 分岐比 : 非常に小　　　　⇒バックグラウンドとの戦い！そのために･･･ π+ をしっかりと確認 余分の粒子を Veto 運動学的なカット

実験紹介 ─ E949 実験

π+ の運動量

μ+ν, π+π0 ： 2 体崩壊→ 単色領域を除く

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E949 実験─検出器 E787 からのアップグレード

実験紹介 ─ E949 実験

•静止 K+ の崩壊を観測•Drift Chamber で運動量を測定•K+ の崩壊を待つ (2ns)•Range Stackで range と π+→μ+→e+ の崩壊 Chain を観測•周囲を覆う Veto カウンタ

→ 運動学的カット

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E949 実験─検出器実験紹介 ─ E949 実験

↑π→μ→eの decay chain

←Range Stack

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E949 実験─測定結果実験紹介 ─ E949 実験

⇒エラーの範囲で標準模型の予言と一致

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実験の紹介 (2)

E391a 実験

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E391a 実験─中性 K 中間子稀崩壊測定 KL→π0νν 測定実験＠ KEK 分岐比 ∝ Im(V*

tsVtd)∝η2 : ユニタリ三角形の高さ

～ 3×10-11 ( 標準模型 ) イベント感度 : 1×10-10

現在測定中！

実験紹介 ─ E391a 実験

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E391a 実験─検出器実験紹介 ─ E391a 実験

•CsI カロリメータで π0 からの 2γを観測•Pb+Sci γ 線 veto検出器で覆う

イベント同定 : KL→π0νν→2γ ＆ 何も無し

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実験の紹介 (3)

KOPIO 実験

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KOPIO 実験─中性 K 中間子稀崩壊測定 KL→π0νν 測定実験＠ BNL 分岐比 ∝ Im(V*

tsVtd)∝η2 : ユニタリ三角形の高さ

～ 3×10-11 ( 標準模型 ) イベント感度 : 8×10-13

現在検出器 R＆ D進行中！

実験紹介 ─ KOPIO 実験

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KOPIO 実験の Concept イベントの同定

KL→π0νν 「 π0 からの 2γ 」かつ「他は何もなし」

→2γ稀崩壊事象 & 終状態に検出可能な粒子が π0 のみ

⇒ バックグラウンドとの戦い！ 　　　例えば… KL→2π0 →γγ

γγ崩壊領域を完全に覆う veto

“microbunch” beam(25MHz、width 200ps)

光子の位置、エネルギー、角度、時間を測定

KLの TOF

π0→2γ崩壊の再構成

運動学的なカット

実験紹介 ─ KOPIO 実験

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KOPIO Detector実験紹介 ─ KOPIO 実験

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KOPIO 検出器─日本グループの役割

Beam Catcher 中性ビーム中の γ 線 veto検出器

Eye-Pipe Vetoカロリメータ内壁の荷電粒子 veto検出器

日本グループの担当

実験紹介 ─ KOPIO 実験

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京都グループの活動 2002-2003 Beam Catcher ( 森井 , 白井 )

第二次プロトタイプによる原理テスト シミュレーションによる具体的な設計 エアロジェル品質管理システムの開発

― 透過率測定システム― チェレンコフ発光量測定システム

荷電粒子 Veto ( 横山 , 谷口 ) 高量子効率 PMT の性能評価 シンチレータ + 波長変換ファイバーでの光量測定

実験紹介 ─ KOPIO 実験

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Beam Catcher開発─ Beam Catcher とは　ビームホールを覆う γ線 veto検出器

⇒γ 線とともに大量の中性子も来る　→中性子に対して不感である必要有り

― 0.8GeV の中性子に対して 0.2%以下

　

実験紹介 ─ KOPIO 実験

だから･･･

チェレンコフ閾値型検出器を

分散配置

( 中性子由来の )低速粒子では鳴らない！

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γ 線に対するイベントディスプレイ 中性子に対するイベントディスプレイ

top view

side view

電磁シャワーは前方へ広がる→ビーム方向にコインシデンス

top view

side view

2次粒子は等方的→ビーム方向にコインシデンス確率低

Beam Catcher開発─シミュレーション実験紹介 ─ KOPIO 実験

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Beam Catcher開発─エアロジェルの特性評価 1

光透過率測定 ( 森井 ) 量産に向けた品質管理システム

実験紹介 ─ KOPIO 実験

5 色 (赤～紫外 )波長依存性を測定

透過率の波長依存性

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Chrenkov光を検出

Tag 用　 0.2mmt 　　ごく薄シンチ

20mmtシンチ　　エネルギー測定

エアロジェルn=1.03 11mmｔ

Beam Catcher開発─エアロジェルの特性評価 2

エアロジェルチェレンコフ発光量測定 ( 白井 )テーブルトップ βビームで測定

実験紹介 ─ KOPIO 実験

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Ｓｒ β 崩壊のスペクトル

Ｍａｇｎｅｔで収束された電子

Beam Catcher開発─エアロジェルの特性評価 2

実験紹介 ─ KOPIO 実験

5inchPMT とエアロジェルとの距離 [cm]

平均の光電子数スペクトロメータの性能 エアロジェルの発光量

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荷電粒子 veto─ 高量子効率 PMT の性能評価

QE 30%

H7415(R6427)catalog

H7422

量子効率の波長依存性 通常 vs 高量子効率 PMT

荷電粒子 veto : シンチレータ＋波長変換ファイバー光量が不足がち⇒高量子効率 PMT

実験紹介 ─ KOPIO 実験

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KOPIO 実験 ─ 今後の展望 今年度の目標 (Beam Catcher)

エアロジェル発光量評価システムの完成― ビームテスト？

Beam Catcher 実機大プロトタイプの製作 ビームテストによる実機大プロトタイプの性能評価

今後の展望 2004年度 : 検出器R&D 2005-2007年度 : 検出器量産　　　　　　　　　　　 (Beam Catcher は 2006 ～ ) ビームライン建設 2009年度頃～ : エンジニアリングラン→物理ラン

実験紹介 ─ KOPIO 実験

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まとめ

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まとめ K 中間子の物理＝対称性の研究 理論的不定性の小さい“きれいな”モード

K+→π+νν, KL→π0νν 荷電 K 中間子の実験

E949 : 結果を出したばかり 中性 K 中間子の実験

E391a : KEK で現在測定中 KOPIO : 検出器 R&D を進行中

Beam Catcher , 荷電粒子 veto

まとめ