COMET实验——
在J-PARC寻找带电轻子味破坏
吴琛
南京大学物理学院
中国科学院高能物理研究所
On Behalf of COMET Collaboration
高能物理会议，武汉
2014年4月22日
概要
• 带电轻子味破坏(CLFV: Charged Lepton Flavor Violation)
与新物理
• CLFV 实验情况
• μ子原子中的μ-e转换
• COMET (@ J-PARC)
• 单事例精度小于10-17 (x10000)
• COMET Phase-I (@ J-PARC)
• 单事例精度小于10-15 (x100)
• 总结
味物理与带电轻子味破坏(CLFV: Charged Lepton
Flavor Violation)
标准模型对CLFV的贡献
BR~O(10-54)
如果CLFV被观测到，那么这将是标志新物理被发现的清
晰信号。
extra
extradimension
dimensionmodel
模型
关于CLFV的预言
许许多多新物理模型都给
出了程度可观的CLFV预言
SUSY 模型
little Higgs 模型
104
夸克，中微子，带电轻子
夸克
发现夸克耦合
轻子
发现中微子振荡
带电轻子耦合？
带电轻子味破坏(CLFV)
CLFV 实验情况
历史上的CLFV
首次CLFV实验
Pontecorvo,1947
当前的上限和未来的预期上限
process
present limit
future
μ→eγ
<5.7 x 10-13
<10-14
MEG at PSI
μ→eee
<1.0 x 10-12
<10-16
Mu3e at PSI
μN→eN (in Al)
none
<10-16
Mu2e / COMET
μN→eN (in Ti)
<4.3 x 10-12
<10-18
PRISM
τ→eγ
<1.1 x 10-7
<10-9 - 10-10
superKEKB
τ→eee
<3.6 x 10-8
<10-9 - 10-10
superKEKB
τ→μγ
<4.5 x 10-8
<10-9 - 10-10
superKEKB
τ→μμμ
<3.2 x 10-8
<10-9 - 10-10
superKEKB/LHCb
μ-e 转化
μ子原子基态
无中微子的μ子核俘获
信号事例特征：
105 MeV的单能单电子
本底：
(1) 物理本底
如μ子轨道衰变 (DIO)
(2) 束流相关本底
如π的辐射俘获，μ子飞行中衰变
(3) 偶发本底
如宇宙线，误寻迹
本底来源可以控制！
之前的实验结果
SINDRUM-II (PSI)
PSI束流强度~ 107-8/sec（来自PSI 回旋加速
器）。实验中装有beam veto counter以排除
束流相关本底，但是这种veto counter不能
在高强度束流下工作。
结果发表于2004年
µ-e转化：费米实验室的Mu2e实验
• 是对MECO（BNL）概念的重现。
• 采用反质子聚束器实现质子束脉冲。
（2009年通过，分别于2009年和2011
年完成第一和第二版概念设计）。
• 计划于2019年取数。
COMET
COMET的国际合作
11个国家/地区，28所大学/
研究机构，129个成员
日本组已经 中国组已
得到经费资 得到经费
资助
助
俄罗斯组经
费即将就位
COMET (E21) at J-PARC
8GeV proton beam
5T pion
capture
solenoid
物理目标
2.6
6
3T muon transport
(curved solenoids)
muon stopping
target
electron tracker
and calorimeter
electron
transport
• 束流强度1011 muon stops/sec，功率56
kW。
• 计划运行2x107 秒（约一年）
• C型μ子传输螺线管
• C型电子传输螺线管与电子探测系统。
• Stage-1 于2009年通过审批
C型电子传输螺线管用于选择粒子
动量
J-PARC的质子束流
• 为了抑制束流本底，需要采用脉
冲束流.
• 所需的时间结构：
• 脉冲间隔 ~ 1μsec或更多 （静
止靶中μ子的寿命）。
• 脉冲峰宽尽可能小（<100
nsec）
• Pulsed beam from slow extraction.
• 慢速提取，间隔一个bucket注
慢速提取，间隔一个bucket注入
入束流
• spill length (flat top) ~ 0.7 sec
• 考虑到宇宙线本底，spill
length尽可能短。
电子谱仪
用稻草管探测器来探测电子
•真空，磁场。
•稻草管
•管壁厚25μm，直径5 mm。
•五个由稻草管组成的平面，每个
平面有垂直摆向的四层稻草管。
电子量能器防止在末端，可以
测量电子能量，也可以提供更
多的击中点信息。
•备选材料：LYSO, GSO
•采用MPPC或APD做信号读取
7
信号灵敏度（2x10
sec）
• 单事例灵敏度
• Nμ = 2x1018是停在静止靶中的
μ子数
• fcap 是μ子被原子核俘获的比例。
在铝中，这个数字是0.6。
• Ae = 0.04 是探测器的接收率 。
质子数
μ子传输效率
μ子静止率
8.5x1020
0.008
0.3
停在靶中的μ子数
2.0x1018
2.6
6
本底事例率
束流相关本底
固有物理本底
宇宙线和其他本底
实验期间预期会探测到0.34个本底事例。
R&D里程碑
1
COMET
对本底的抑制
脉冲束流
实验将在脉冲之间取数。脉冲间
隙的质子泄漏率应小于<10-9 。
2
对束流亮度的提高
π捕获系统
单事例灵敏度: 2.6x10-17
高强度超导磁体
X103
COMET的阶段计划(2012~)
COMET Phase-I
long enough so that # of muons/proton
is the same as Phase-II.
COMET Phase-II
COMET Phase-I的物理目标
StrEcal
1
本底研究 for COMET Phase-II
用Phase-I建造的束流线直接测量潜在的本底来源，为
Phase-II铺路
2
寻找µ-e转化
CyDet
在一个中等的灵敏度上寻找μ−−e−转化。
单事例灵敏度预期将比当前最好结果（SINDRUMII）好一百倍。
COMET Phase-I 实验概览
µ
质子束流
COMET μ子束流：
6x109 muon/sec，3kW。世界最高亮度。
COMET Phase-I 探测器：
约有1016 个μ子 停止在靶中。 来自
于µ-e转化电子将被探测器接收。
Cylindrical Detector (CyDet)
CDC
设计
•
•
•
•
用斜丝层记录击中点的z坐标（全斜丝层漂移室）
用氦基混合气体降低散射效果
大内径，避免过高的DIO击中率
CFRP制成的质子吸收层，用于降低质子击中率
中国组的加入
•
中国组（IHEP&NJU）于2012年加入COMET合作组，主
要承担CDC的软硬件准备工作
•
•
•
•
CDC电子学 - 已提交部分订单，计划于11月开始测试
CDC寻迹 - 刚起步
软件组工作 - 参与软件框架的准备工作
束流优化 – 负责μ子束流，CyDet几何与静止靶的参数优化，
承担本底评估及信号灵敏度预期的工作
CyDet的信号灵敏度
信号接收率
信号灵敏度
• fcap = 0.6
• Ae = 0.056
• Nμ = 9.4x1015 muons
3.1
10-15
10-15
每一个质子打靶，将会有大约0.00064个子停在静
μ子束流强度
止靶中
0.4 µA的流强下需要90天的运行时间
本底清单
束流本底
CyDet的本底估计
Schedule of COMET and Mu2e
总结
• CLFV 可能是寻找新物理的最佳途径（目前为止LHC
并未发现新物理）。
• μ-e转化过程无论是从理论上还是实验上讲都是非常
重要的一个值得研究的CLFV过程。
• J-PARC的COMET (Phase-II) 预期单事例灵敏度将达
到3x10-17。
• 阶段性计划提出后, COMET Phase-I 预期将达到
3x10-15的单事例灵敏度。束流线的建造由KEK资助。
建造将于2014年开始。计划于2016年开始取数。中
方在Phase-I的准备工作中起到了重要作用，并将继
续在合作项目中发挥影响力。
WELCOME!
Back Up
中微子工厂
μ子 VS τ子
• B工厂中可以利用的τ子数大概是 1-10 taus/sec。
如果超级B工厂建成, 大概有100 taus/sec可能
被利用。而且有些衰变的研究被本底所限制.
• 当前可利用的μ子数大概是 108 muons/sec （在
PSI）。下一代的实验预期要实现1011-1012
muons/sec。利用μ子对撞机和中微子工厂的技
术，未来可能实现1013-1014 muons/sec。
μ子通往新物理之窗较τ子更为宽广
μ子对撞机
“DNA of New Physics”
(a la Prof. Dr. A.J. Buras)
CLFV对新物理的灵敏度（以SUSY模型为
例）
对于圈图：
->对TeV能区敏感
SUSY例图(~TeV)
1016 GeV 处的物理
slepton mixing
(来自RGE)
SUSY-GUT 模型
SUSY neutrino
seesaw 模型
取自Y. Okada 的幻灯片(2010)
CLFV与中微子的Mass Generation
CLFV~O(10-54)
1
2
arXiv:1207.7227v1 [hep-ph] 31 Jul 2012
1
SUSY 预言(仿照A. Masiero)
A. Ibara, E. Molinaro, S.T. Petcov, Phys. Rev. D84 (2011) 013005
CLFV with TeV Seesaw (Type-I)
TeV seesaw type-I models predict sizable
branching ratio of CLFV with right-handed
neutrino mass of O(TeV).
靶材的选择：μ-e转化分支比
在铝处归一化
R. Kitano, M. Koike and Y. Okada, Phys. Rev. D66, 096002 (2002)
带电径迹在弯曲螺线管中的传输
• 带电径迹的中心在弯曲的螺线管
中会偏移：
• 可以用此筛选动量.
• 这个偏移可以用平行于偏移方向
的补偿磁场进行修正：
MuSIC (=Muon Science Innovative Channel)
funded
constructed
in FY2009
R&D on Electron Straw Tracker System
• The electron tracker consists of 5
planes of straw chambers, and
each plane has 4 arrays.
• The readout scheme has been
changed to be in units (ASIC) of 4
straws rather than 8.
• The manifold design is going.
• ASIC design is going with the
KEK electronics group.
A straw chamber plane consists of 4
arrays, x,x’, y, y’.
COMET Electron Tracker
COMET Electron Calorimeter
R&D on Electron Calorimeter
• Candidates of scintillating crystals are GSO(Ce), LYSO, LaBr3 and
others.
• Candidates of Calorimeter readout of MPPC and APD.
• The beam test of GSO with either MPPC and APD was done with
electron beam at Tohoku Univ. in 2009 and 2010.
• Data analysis goes underway.
GSO(Ce) Crystals
MPPC and readout
signal from MPPC for
GSO(Ce)
CDC: Cell and Wire arrangement
19 concentric sense layers
all stereo layers with
alternating stereo angles
(of ~50 mrads). (e.g. KLOE)
guard layers 1st and 19th
sense wire: 30 µm gold-plated tungsten
field wire: 126 µm aluminum
R&D on Cosmic Ray Veto
• The active cosmic ray veto
system has been designed and
tested by the BINP (Novosibirsk)
and ITEP (Moscow) group.
• Plastic scintillators with fiber
readout by SiPM or APD.
• The light yield at a far end is even
15 pe. The counter efficiency for
MIP is 99.7% with 55 pixel
threshold.
Plastic scintillators with fiber readout
(basic module).
R&D on Stopping Muon Monitor System
• To monitor a number of stopping
muons, muonic X-rays from the muon
stopping target (made of aluminum) is
to be measured.
• Two different detectors, Ge and CdTe
were tested at the J-PARC MLF muon
facilities in fall, 2010.
• Detector efficiencies and transition
rates are studied.
• R&D on Multi-pixel detectors is being
done.
• Location of the muonic X-ray
detectors at COMET is being studied. Measured muonic X-rays from aluminum
-19
在单事例灵敏度3x10 处寻找μ-e转化
PRISM/PRIME (利用μ子存储环)
PRIME
detector
MW beam
momentum slit
extract kickers
PRISM-FFAG
muon storage ring
matching
section
PRISM
beamline
injection kickers
curved solenoid
(short)
SC solenoid /
pulsed horns
PRISM-FFAGμ子存储环的R&D已在大阪大学
展开
phase rotation的展示实验已经完成
Comparison of COMET Phase-I / Phase-II and
Mu2e
90% C.L. upper limit is 7x10-13 (SINDRUM)
BG events
S.E.
running
at aimed
sensitivity
time (sec)
sensitivity
COMET
Phase-I
3x10-15
COMET
Phase-II
3x10-17
Mu2e
-17
3x10
0.03
1.5x106
0.34
2x107
0.4
3x
7
(2x10 )
Year
Comments
~2016
Proposal
(2012)
~2019
CDR
(2009)
~2019
J. Miller’s
talk at
SSP2012
JFY
日程表(束流)
实验设施
设计
建造
• 2013
• Design of the building & beam line
• Bid tendering and start construction
• Design of superconducting solenoid
magnets and start of construction
• Production of SC wires as well
• Design of the pion production target
• 2014
• Completion of the building
• Construction of superconducting solenoid
magnets
• Start magnet and radiation shielding (and
beam dump) installation
• Transport solenoid
• Start preparation of cryogenic system
• Tests of the target production target
• 2015
• Construction of superconducting solenoid
magnets
• Preparation of cryogenic system
• Construction of the pion production target
• 2016
• Installation of the capture solenoid
• Completion of the cryogenic system
• Tests of the magnet system
• Installation of the target
• Ready to accept the 8GeV beam
超导磁体
超导线圈
捕获磁体
输运磁体
冷却系统
性能测试
辐射防护
Beam dump
产生靶
设计&测试
建造
2013
2014
2015
2016
日程表 (探测器)
探测器建造
取数！