μ +N →τ +N 反応探索実験の ためのシミュレーション計算
description
Transcript of μ +N →τ +N 反応探索実験の ためのシミュレーション計算
![Page 1: μ +N →τ +N 反応探索実験の ためのシミュレーション計算](https://reader035.fdocument.pub/reader035/viewer/2022062501/56815d03550346895dcb040b/html5/thumbnails/1.jpg)
μ+N→τ+N 反応探索実験のためのシミュレーション計算
久野良孝久野研究室
年末発表会12月22日
![Page 2: μ +N →τ +N 反応探索実験の ためのシミュレーション計算](https://reader035.fdocument.pub/reader035/viewer/2022062501/56815d03550346895dcb040b/html5/thumbnails/2.jpg)
目次
• 物理的意義• 散乱実験と崩壊実験の比較• 高エネルギー・ミューオン・ビームの
評価• シミュレーション計算• 測定器の可能性• まとめ
![Page 3: μ +N →τ +N 反応探索実験の ためのシミュレーション計算](https://reader035.fdocument.pub/reader035/viewer/2022062501/56815d03550346895dcb040b/html5/thumbnails/3.jpg)
• – PRISM (10-18) and/or MECO (10-16)
•– 転換の方が大きい可能性も
• Neutrino 振動では、転換が大きい
– 実験的試みは無し– は寿命が短いので実験的に難しい– Minimum muon beam energy = 1.83GeV
€
+ N → e + N
レプトン・フレイバー非保存
€
+ N → τ + N
€
+ N → μ + N
![Page 4: μ +N →τ +N 反応探索実験の ためのシミュレーション計算](https://reader035.fdocument.pub/reader035/viewer/2022062501/56815d03550346895dcb040b/html5/thumbnails/4.jpg)
€
B(τ → μπ ) < 4.0 ×10−6
B(τ → μππ ) < 8.2 ×10−6
B(τ → μρ) < 6.3×10−6
€
崩壊 or 散乱 (1)
• 崩壊モード
• Contact Int. を仮定
– 崩壊の実験値から
€
4πΛ2 (μ Γτ )(q Γq)
€
€
Λ > 2.6TeV (Γ =1)Λ >12TeV (Γ = γ 5)Λ >12TeV (Γ = γ μ )
Λ >11TeV (Γ = γ μγ 5)
![Page 5: μ +N →τ +N 反応探索実験の ためのシミュレーション計算](https://reader035.fdocument.pub/reader035/viewer/2022062501/56815d03550346895dcb040b/html5/thumbnails/5.jpg)
崩壊 or 散乱 (2)
• Scalar int. の場合 •
€
σ(μ + q → τ + q) =
πs3Λ4
⎛ ⎝ ⎜
⎞ ⎠ ⎟ 1− mτ
2
s
⎛ ⎝ ⎜
⎞ ⎠ ⎟ 1+ mτ
2
2s
⎛ ⎝ ⎜
⎞ ⎠ ⎟
€
Λ=2.6TeV muon energy = 50 GeV ⇒ σ ≈ 0.55fb
muon beam 1010/sec,1-meter target3x103 events/year
M.Sherr et al. hep/ph-0309183
エネルギーと共に断面積増加
scalar
vector
![Page 6: μ +N →τ +N 反応探索実験の ためのシミュレーション計算](https://reader035.fdocument.pub/reader035/viewer/2022062501/56815d03550346895dcb040b/html5/thumbnails/6.jpg)
高エネルギー・ミューオン・ビームの強度の評価
• JHF – From the JHF-Nu proposal,– Neutrino intensity at Kamiokande (at 300 km)=
2x106/cm2/year.– At 100m, neutrino intensity = 2x1010/m2/sec.
• Other locations– Fermilab-MI, CERN-SPS– Yet evaluated
![Page 7: μ +N →τ +N 反応探索実験の ためのシミュレーション計算](https://reader035.fdocument.pub/reader035/viewer/2022062501/56815d03550346895dcb040b/html5/thumbnails/7.jpg)
実験へのアプローチ
• シグナルの同定– 崩壊の kink
•Emulsion が必要
– 崩壊から発生した粒子の横方向運動量 PT
• -e conversion 実験と類似• Trigger としても有効
– その他
![Page 8: μ +N →τ +N 反応探索実験の ためのシミュレーション計算](https://reader035.fdocument.pub/reader035/viewer/2022062501/56815d03550346895dcb040b/html5/thumbnails/8.jpg)
• 目的– 崩壊から発生した
粒子の PT 分布を調べる。
• 反応
– scalar int. を仮定。– CM 系で等方的分布
を仮定。€
++1836Ar → τ ++18
40Ar
Signal Simulation
• 方法– の質量をもつ仮想
粒子 (mutauon) を生成し、崩壊させる。
€
s
€
mutauon → τ +1840Ar
τ → ππ 0ν τ → πν τ → μνν τ → eνν
![Page 9: μ +N →τ +N 反応探索実験の ためのシミュレーション計算](https://reader035.fdocument.pub/reader035/viewer/2022062501/56815d03550346895dcb040b/html5/thumbnails/9.jpg)
Muon Beam Energy : 5 GeV
€
+ → π +π 0ν τ ;τ + → π +ν τ
€
→ νν €
s = 38.17GeV
π μ
![Page 10: μ +N →τ +N 反応探索実験の ためのシミュレーション計算](https://reader035.fdocument.pub/reader035/viewer/2022062501/56815d03550346895dcb040b/html5/thumbnails/10.jpg)
Muon Energy : 50GeV€
s = 66.87GeV
€
→ νν
€
+ → π +π 0ν τ ;τ + → π +ν τ
π μ
![Page 11: μ +N →τ +N 反応探索実験の ためのシミュレーション計算](https://reader035.fdocument.pub/reader035/viewer/2022062501/56815d03550346895dcb040b/html5/thumbnails/11.jpg)
Backgrounds
• ミューオン非弾性散乱• Charm 生成• Neutrino charged current 反応• その他
検討は始まったばかりで、不十分だが… .
![Page 12: μ +N →τ +N 反応探索実験の ためのシミュレーション計算](https://reader035.fdocument.pub/reader035/viewer/2022062501/56815d03550346895dcb040b/html5/thumbnails/12.jpg)
Background Estimation
• 目的: PT cut threshold を決定する
• とりあえず、ミューオン散乱を Geant で計算– IMUNU=1 (ミュー
オン原子核散乱 ON)– 二次粒子発生 ON
• Setup– Muon beam energy =
5 GeV or 50 GeV– Target
• 液体アルゴン TPC(L=1m, R=0.5m)
muonmuon
![Page 13: μ +N →τ +N 反応探索実験の ためのシミュレーション計算](https://reader035.fdocument.pub/reader035/viewer/2022062501/56815d03550346895dcb040b/html5/thumbnails/13.jpg)
ミューオン散乱計算
Muon beam energy 50 GeVLiquid argon 1mGenerated # : 100k
Muon beam energy 5 GeVLiquid argon 1mGenerated # : 100k
![Page 14: μ +N →τ +N 反応探索実験の ためのシミュレーション計算](https://reader035.fdocument.pub/reader035/viewer/2022062501/56815d03550346895dcb040b/html5/thumbnails/14.jpg)
Muon Beam Energy : 5 GeV
€
+ → π +π 0ν τ ;τ + → π +ν τ
€
→ νν €
s = 38.17GeV
π μ
![Page 15: μ +N →τ +N 反応探索実験の ためのシミュレーション計算](https://reader035.fdocument.pub/reader035/viewer/2022062501/56815d03550346895dcb040b/html5/thumbnails/15.jpg)
Muon Energy : 50GeV€
s = 66.87GeV
€
→ νν
€
+ → π +π 0ν τ ;τ + → π +ν τ
π μ
![Page 16: μ +N →τ +N 反応探索実験の ためのシミュレーション計算](https://reader035.fdocument.pub/reader035/viewer/2022062501/56815d03550346895dcb040b/html5/thumbnails/16.jpg)
測定器の可能性
• 実験のための測定器が参考になる。– ICURUS, OPERA, DONUTS など
• エマルジョン+シンチ・ファイバー– 107tracks/cm2 まで OK
• 液体アルゴン TPC+ シンチ・ファイバー– 1m drift は OK (3m まで Icurus で試験)
€
ν + N → τ + N
![Page 17: μ +N →τ +N 反応探索実験の ためのシミュレーション計算](https://reader035.fdocument.pub/reader035/viewer/2022062501/56815d03550346895dcb040b/html5/thumbnails/17.jpg)
これから課題
• ミューオン・ビーム・エネルギーの最適化– 強度、断面積、 Backgr
ound 削減– J-PARC / FNAL-MI / CE
RN-SPS• Background Study
– 非弾性散乱– Charm 生成
• Signal の評価
![Page 18: μ +N →τ +N 反応探索実験の ためのシミュレーション計算](https://reader035.fdocument.pub/reader035/viewer/2022062501/56815d03550346895dcb040b/html5/thumbnails/18.jpg)
まとめ
• μ+N→τ+N 反応は、 Lepton Flavor Violation を探索するうえで重要である。
• μ+N→τ+N 反応は、 B factory での τ 稀崩壊実験以上の実験感度を達成する可能性がある。
• μ+N→τ+N 反応の探索実験は、これまで一度の検討されることがなかったが、今回初めて検討を始めた。
• 測定器としては、液体アルゴン TPC または、 emulsion+SciFi 測定器を検討している。
• 世界の検討されているニュートリノ・ビームラインで実験ができる可能性がある。
• 将来は、 Neutrino Factory が出来れば、より感度のある実験が可能となるであろう。