j-parc koto実験

10
500 ■ 研究紹介 J-PARC KOTO 実験 大阪大学大学院 理学研究科 塩見 公志 杉山 泰之 [email protected] [email protected] 外川 山中 [email protected] [email protected] 京都大学大学院 理学研究科 南條 [email protected] 高エネルギー加速器研究機構 素粒子原子核研究所 野村 [email protected] 2013 (平成 25 )8 19 1 はじめに J-PARC E14 KOTO 実験 1 の目的は,中性 K 中間子 の稀崩壊 K L π 0 ν ν を用いて標準理論を超える新しい 物理を探ることである。この崩壊の特長は,1) CP- K L から CP+ の終状態に移る,CP 対称性を破る崩壊 であること,2) 標準理論による寄与が分岐比にして約 3 × 10 -11 と小さいこと,3) そして標準理論では図 1 示すような Z 0 を介するペンギンダイアグラムによって 崩壊が起きるため,理論的な誤差が約 2%と小さいこと である。つまり,標準理論による「バックグラウンド」 が小さくよく理解されているために,CP 対称性を破る 新しい物理の効果が見やすい。 現在の崩壊の分岐比の上限値は,KEK E391a 実験に t W - Z 0 s ¯ ν ν d 1: K πν ν のファインマンダイアグラム。 1 K 0 at TOkai” を略して命名した。 よって 2.6 × 10 -8 (90% CL) と与えられている [1]。ま た,BNL 787/949 実験が荷電 K 中間子の K + π + ν ν 崩壊を 7 事象発見しており [2],その分岐比を元にアイ ソスピン回転をして中性の K L π 0 ν ν 崩壊の分岐比に 対して 1.5 × 10 -9 以下という上限値を与えている。こ の上限値は通称 Grossman-Nir Limit[3] と呼ばれる。 標準理論を超える物理のモデルとして,SUSY[4]lit- tlest Higgs[5, 6]4 世代モデル [7, 8] など様々なモデル Grossman-Nir Limit 以下の広い範囲に予測を立てて いる。 KOTO 実験はこの領域を順に探査していき,標準 理論による予測分岐比相当で数イベントの K L π 0 ν ν 崩壊を観測する感度に至ることをゴールとしている。 実験は 2006 年にプロポーザルを提出し,2009 9 に本採択 (Stage 2) を受けた。これまで精力的に検出器 建設を行い,2013 年春にようやく物理データを収集で きる段階になった。この記事では,検出器部分を中心に, 収集した物理データの解析の触りを解説する。 2 実験装置 2.1 実験装置の概要 K L π 0 ν ν 崩壊の終状態の特徴は「π 0 崩壊から来る 2 つの光子が存在すること」と「その他には検出される 粒子がないこと」である。KOTO 実験では,光子のエ 83

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    5

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    10kHz 1kHz

    1 1

    0.1 SiTCP

    2,3

    2013 11

    6

    2013 2020

    SciCRT 3

    SciCRT

    6

    SciBar

    SciBar SciBooNE Fermi

    FNAL

    INAOE

    SciCRT

    [1] K.Nitta, et al., Nucl. Instr. and Meth. in Phys.

    Res. A, 2004, 535: 147-151.

    [2] , 2004,

    [3] , 2002,

    [4] K.Niita, et al., JAEA-Data/Code 2010-022

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    [5] Y.Nagai, et al., Proc. 32nd Int. Cosmic Ray

    Conf., Beijing 2011.

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    6665.

    500

    J-PARC KOTO

    [email protected] [email protected]

    [email protected] [email protected]

    [email protected]

    [email protected]

    2013 ( 25) 8 19

    1 J-PARC E14 KOTO1 K

    KL 01) CPKL CP+CP2) 3 10113) 1 Z0 2%CPKEK E391a

    t

    W

    Z0

    s

    d

    1: K

    1K0 at TOkai

    2.6 108 (90% CL) [1]BNL 787/949KK+ + 7 [2]KL 0 1.5 109 Grossman-Nir Limit[3]SUSY[4]lit-

    tlest Higgs[5, 6]4 [7, 8]Grossman-Nir LimitKOTOKL 0 20062009 9

    (Stage 2)2013

    2 2.1 KL 00

    2KOTO

    83

  • 501

    2: KOTOKL (CsI calorimeter) 1.9 m veto (MB)5.5 m (Membrane)BHPV(Beam Hole Photon Veto)

    vetoKOTO J-PARC

    MR 30 GeV 26 2KOTO KL 16 2 ( 4.5 m 5 m) sweeping 21 m 10 cm [9] 2 KOTO

    (CsI calorimeter)FBMB vetoKOTO KEK E391a3 CV vetoCC Collar Counter

    2 (T1)

    3MB

    BH(Beam Hole)105 Pa0.1 PaKEK E391aKEK E391a KOTO

    () ()

    2.2 4KOTO

    (4

    84

  • 501

    2: KOTOKL (CsI calorimeter) 1.9 m veto (MB)5.5 m (Membrane)BHPV(Beam Hole Photon Veto)

    vetoKOTO J-PARC

    MR 30 GeV 26 2KOTO KL 16 2 ( 4.5 m 5 m) sweeping 21 m 10 cm [9] 2 KOTO

    (CsI calorimeter)FBMB vetoKOTO KEK E391a3 CV vetoCC Collar Counter

    2 (T1)

    3MB

    BH(Beam Hole)105 Pa0.1 PaKEK E391aKEK E391a KOTO

    () ()

    2.2 4KOTO

    (4

    502

    ) KL 0.11 GeVveto 1 MeVKOTO undoped CsI

    KTeV25 mm50 mm 2 500 mm27X0KEK E391a70 mm 300 mm16X0 (PMT)KTeVCockcroft-Walton1 MeV2008CsI

    KTeV2700 PMT 1 1 9Cs 144 12 12 100800 MeV

    EE

    (%) =1.3E 0.1

    E 0.8 (0) (1)

    t(ns) =0.12E 0.10 (2)

    EGeV2010 5 J-PARC

    -CsICsI 200 m 27165( 3)2011 2 34 mm3

    52010 6 9

    3: CsI 1.2 m25 mm 50 mm

    CFRP2012 2 1 KL 30 4KL 30 6 6

    4: KL 30

    85

  • 503

    5: KL 30

    5KL 498 MeV/c21%KL6 61

    E/p0 0.5 1 1.5

    # of

    eve

    nts

    0

    20

    40

    310Before calibration

    After calibration

    6: KL 30

    KL 30 KL 30

    62012KOTO

    2.3 CV

    (Charged Veto) CV (+p 0+n

    ) 0CV 100 keV100 keV 10 photo-electron(p.e.)KEK E391a CV

    0KOTO CV 7 CV 25cm

    2 8

    7: () CV()

    16 0.8 mm (CFRP) 3 mm (BC408) ( 0.4 g/cm2) 8 6070 mm 10 mm 1 mm (Y11(350)) 4

    86

  • 503

    5: KL 30

    5KL 498 MeV/c21%KL6 61

    E/p0 0.5 1 1.5

    # of

    eve

    nts

    0

    20

    40

    310Before calibration

    After calibration

    6: KL 30

    KL 30 KL 30

    62012KOTO

    2.3 CV

    (Charged Veto) CV (+p 0+n

    ) 0CV 100 keV100 keV 10 photo-electron(p.e.)KEK E391a CV

    0KOTO CV 7 CV 25cm

    2 8

    7: () CV()

    16 0.8 mm (CFRP) 3 mm (BC408) ( 0.4 g/cm2) 8 6070 mm 10 mm 1 mm (Y11(350)) 4

    504

    8: CV CFRP 1

    7 7 3 mm MPPC(Multi-PixelPhoton Counter) PMT 3MPPCMPPC10C 1 p.e. 200 kHzMPPC8 10550 1 p.e.CV 2012 62.2

    9850 mm100 keV 1323 p.e. 19 p.e.(3 mmMIP 90 p.e.)

    X (mm)-1000 -500 0 500 1000

    Y (m

    m)

    -1000

    -500

    0

    500

    1000

    8

    10

    12

    14

    16

    18

    20

    22

    24

    26

    9: 100 keV (p.e.)

    2.4 NCC (Neutron Collar

    Counter) KLKL2NCC vetoNCC

    0-KEK E391aKOTO (38 cm) (1.9 cm) undoped CsI0 0 1 MeVNCC

    KLNCCCsI () 10NCC48 6.6 cm 6.8 cm

    87

  • 505

    10: NCC () ()

    8 5 45 cmCsIPMT7NCC6.6 cm 3 1 mm 45 cm ( 11) 1 mm 40 283 ( veto) 124 3()

    11: NCC

    1 MeV 12CsI (PMP 5000ppm) PMT 484.5 p.e./MeV 30%10 MeV

    7KEK E391aKTeV

    12: NCC (PMP5000)CsIPMT

    0.45 p.e./MeV 1%2012 12 J-PARC

    13 (

    13: 5 MeV0100 MeV (100 MeV)

    KL )

    88

  • 505

    10: NCC () ()

    8 5 45 cmCsIPMT7NCC6.6 cm 3 1 mm 45 cm ( 11) 1 mm 40 283 ( veto) 124 3()

    11: NCC

    1 MeV 12CsI (PMP 5000ppm) PMT 484.5 p.e./MeV 30%10 MeV

    7KEK E391aKTeV

    12: NCC (PMP5000)CsIPMT

    0.45 p.e./MeV 1%2012 12 J-PARC

    13 (

    13: 5 MeV0100 MeV (100 MeV)

    KL )

    506

    2.5 KOTO 14 KOTO

    KOTOADC [10, 11]

    ADC

    Lv1 trigger system

    Detector

    Opticallink

    1Gbps Ethernet link

    Lv1 trigger

    Signal Lv2 Triggersystem

    Level 1 Trigger

    Level 2Trigger

    Level 3Trigger

    Data Data Data

    Hit/ Energy

    Waveform Digitization

    14: KOTO

    Category 6 EthernetADC Lv13 3

    2.5.1 ADC

    KOTO 14 bit 125 MHz12 bit 500 MHz2 ADCKOTO[12, 13] 125 MHz ADC (BHCVBHPV) 500 MHz ADC125 MHz ADCCsI ( 15)

    15: CsIPMT () 10 ADC ()

    8 ns (=125 MHz 1)ADCLv2 64 (512 ns)

    2.5.2

    3 ADCLv1ADC

    8 nsADC ()CVMBNCC (veto) Lv1KLCVMBNCC veto 2013 5Lv1 28k events/spill ( 14 kHz)8Lv2ADC

    1

    86 2 1 spill

    89

  • 507

    ADC Lv2missingKL 0 KL 30Lv2Lv2 1 Gbps Ethernet Lv3 PC2013 5 Lv2 8k events/spill ( 4 kHz)Lv3 PC Lv2

    1Lv31 3 11 130 KB 1 600 GB1 ( 1

    1)KEK(KEKCC) 2.7 Gbps

    3 16KOTO

    KOTO 2010 52012 3 () CV()2012 KOTO

    (MB,FB)NCCKOTO3KOTO2012

    201010-11

    CV()() ()

    20122

    (kW)

    20126

    20121220131

    201332013420135

    1 3

    6 10

    15 20

    24

    16:

    12 ( 17)10 mm1 2012 12

    17:

    2013 1 21

    90

  • 507

    ADC Lv2missingKL 0 KL 30Lv2Lv2 1 Gbps Ethernet Lv3 PC2013 5 Lv2 8k events/spill ( 4 kHz)Lv3 PC Lv2

    1Lv31 3 11 130 KB 1 600 GB1 ( 1

    1)KEK(KEKCC) 2.7 Gbps

    3 16KOTO

    KOTO 2010 52012 3 () CV()2012 KOTO

    (MB,FB)NCCKOTO3KOTO2012

    201010-11

    CV()() ()

    20122

    (kW)

    20126

    20121220131

    201332013420135

    1 3

    6 10

    15 20

    24

    16:

    12 ( 17)10 mm1 2012 12

    17:

    2013 1 21

    508

    KOTO 2013 3 3 KEK E391a9435

    5Grossman-Nir limit5 17 20 kW5 18

    23.8 kW veto23.8 kW KL (KL) KEK E391a 12 10 1J-PARC 5 231018 POT(Protons On Target )800 1016 POT 1601016 POT

    9MR

    10 http://j-parc.jp/HDAccident/HDAccident-j.html

    18: POT

    5 1

    4 1 51 KL 30KL 00,

    KL 2 KL 1 3 19KL 306 KL

    ]2mass [MeV/c400 500 600

    2#

    of e

    vent

    s/ 2

    MeV

    /c

    10

    510 Data000LK

    p [MeV/c]0 5000 10000

    # of

    eve

    nts/

    100

    MeV

    10

    510Data

    000LK

    19: KL 30 6 ()KL ()

    91

  • 509

    3KL%5

    Grossman-Nir limitKEK E391aKOTO 2KEK E391aKL 0 veto

    5 KOTO

    2013 5 KEK E391a112014Grossman-Nir Limit50 kW100 kWKOTOKL 0 O(1011)

    [1] J.K. Ahn et al. [KEK E391a Collab.], Phys. Rev.

    D 81, 072004 (2010).

    11MB Inner MB

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    92