Эксперимент NA62

редактировать

Суперпротонный синхротрон. (SPS)
Ключевые эксперименты SPS

UA1	Подземная зона 1
UA2	Подземная зона 2
NA31	NA31 Эксперимент
NA32	Исследование образования очарования в адронных взаимодействиях с использованием кремниевых детекторов высокого разрешения
КОМПАС	Обычный мюонный и протонный аппарат для Структура и спектроскопия
SHINE	Эксперимент с тяжелыми ионами и нейтрино SPS
NA62	Эксперимент NA62
Предускорители SPS
p и Pb	Линейные ускорители для протонов (Linac 2) и Lead (Linac 3)
(без маркировки)	Протонный синхротронный ускоритель
PS	Протонный синхротрон

Эксперимент NA62 (известный как P-326 на стадии предложения) - эксперимент по физике элементарных частиц в северной части ускорителя SPS в ЦЕРН. Эксперимент был одобрен в феврале 2007 года. Сбор данных начался в 2015 году, и ожидается, что эксперимент станет первым в мире, в котором будут исследованы распады заряженного каона с вероятностью до 10. Представителем эксперимента является (с января 2019 г.). В сотрудничестве принимают участие 333 человека из 30 организаций и 13 стран мира.

Содержание

1 Цели
2 Экспериментальный прибор
- 2.1 Линия луча
- 2.2 Кедр / KTAG
- 2.3 GigaTracker (GTK)
- 2.4 CHANTI
- 2.5 Straw Tracker
- 2.6 Photon Veto Systems
  - 2.6.1 Large Angle Vetos (LAV)
  - 2.6.2 Small Angle Vetos (SAV), калориметр промежуточного кольца (IRC) и малоугловой калориметр (SAC)
- 2.7 Жидкий криптоновый калориметр (LKr)
- 2.8 Кольцевой черенковский детектор (RICH)
- 2.9 Заряженные годоскопы (NA48-CHOD CHOD)
- 2.10 Адронные калориметры (MUV1 MUV2)
- 2.11 Мюонный детектор вето (MUV3)
3 Данные
4 Результаты
- 4.1 K + → π + ν ν ¯ {\ displaystyle K ^ {+} \ rightarrow \ pi ^ {+} \ nu {\ overline {\ nu}}}
  - 4.1.1 Данные за 2016 год
  - 4.1.2 Данные за 2017 год
- 4.2 Запрещено K + {\ displaystyle K ^ {+}}Распад
  - 4.2.1 $K + → π - ℓ + ℓ + {\ displaystyle K ^ {+} \ rightarrow \ pi ^ {-} \ ell ^ {+} \ ell ^ { +}}$ ${\ displaystyle K ^ {+} \ rightarrow \ pi ^ {-} \ ell ^ {+} \ ell ^ {+}}$ (Нарушение лептонного числа)
- 4.3 Экзотика
  - 4.3.1 Тяжелый нейтральный лептон
  - 4.3.2 Темный фотон
5 См. Также
6 Ссылки
7 Дополнительная литература
8 Внешние ссылки

Цели

Эксперимент предназначен для проведения прецизионных испытаний Стандартной модели путем изучения редких распадов заряженных каонов. Основная цель, для которой была оптимизирована конструкция, - это измерение скорости ультраредкого распада K → π + ν + ν с точностью 10% путем обнаружения около 100 кандидатов на распад с низким фоном. Это приведет к определению элемента матрицы CKM | V td | с точностью лучше 10%. Этот элемент очень точно соотносит вероятность того, что топ-кварки распадутся на нижние кварки. Список Группы данных по частицам Обзор физики элементарных частиц за 2008 год | V td | = 0,00874 + 0,00026. -0,00037. Параллельно выполняется обширная программа исследований физики каонов, включающая исследования других редких распадов, поиск запрещенных распадов и новых экзотических частиц, не предсказываемых стандартной моделью (например, темных фотонов).

Экспериментальный прибор

Чтобы достичь желаемой точности, эксперимент NA62 требует определенного уровня подавления фона по отношению к силе сигнала. А именно, синхронизация с высоким разрешением (для поддержки высокоскоростной среды), кинематическое отклонение (включая вырезание квадрата недостающей массы наблюдаемых частиц в распаде относительно вектора падающего каона), идентификация частиц, герметичное вето. фотонов на большие углы и мюонов в пределах допуска и избыточности информации.

В связи с этими необходимостями в эксперименте NA62 был сконструирован детектор длиной примерно 270 м. Компоненты эксперимента кратко объясняются ниже, для получения полной информации см.

Линия луча

В основе эксперимента NA62 лежит наблюдение за распадом каонов. Для этого эксперимент получает два луча от SPS,

. Первичный луч, называемый P42, используется для получения K-луча. Пучок протонов 400 ГэВ / c разделяется на три ветви и поражает три цели (T2, T4 и T6). Это производит лучи вторичных частиц, которые направляются через подземный целевой туннель (TCC2). На выходе из T4 пучок прошедших протонов проходит через отверстия в двух вертикально-моторизованных модулях сброса пучка / коллиматора, TAX 1 и TAX 2 для P42, в которых отверстия различные апертуры определяют угловой прием пучка и, следовательно, позволяют выбирать поток протонов в широком диапазоне. Чтобы защитить компоненты устройства, компьютерная программа наблюдения позволяет контролировать токи в основных магнитах вдоль линии луча P42 и закрывать Tax 2 в случае ошибки.

Линия вторичного луча, K12HIKA +, является линией луча каонов. Этот пучок разработан, чтобы исходить от протонов с высоким потоком 400 ГэВ / c в установке высокой интенсивности в Северной зоне. Туннель мишень / пучок TCC8 и каверна ECN3, где были установлены детекторы эксперимента NA48, имеют общую длину 270 м. Планируется повторно использовать существующую станцию прицеливания T10 (расположенную в 15 м от начала TCC8) и установить вторичный луч вдоль существующей (прямой) линии луча K12 длиной 102 м до выхода конечного коллиматора, который отмечает начало реперной области распада и указывает на детекторы NA48 (в частности, электромагнитный калориметр на жидком криптоне, LKR).

Эти лучи приводят к 4,5 МГц распадов каонов в фидуциальной области с соотношением ~ 6% для распадов K на адрон поток.

Кедр / KTAG

KTAG - это «теггер каонов», предназначенный для идентификации $K + {\ displaystyle K ^ {+}}$ $K ^ {{+}}$ частиц в неразделенном адронном пучке. Этот детектор представляет собой дифференциальный черенковский счетчик (CERN west-area Cedar), оснащенный индивидуальным детектором, состоящим из 8 матриц фотодетекторов (KTAG).

GigaTracker (GTK)

Размещенный непосредственно перед областью распада каонов, GTK предназначен для измерения времени, направления и импульса всех траекторий луча. GTK - это спектрометр, который может обеспечивать измерения от входящего каонного луча 75 ГэВ / c. Измерения GTK используются для выделения распада и уменьшения фона.

GTK состоит из трех разных станций, обозначенных GTK1, GTK2 и GTK3, в зависимости от порядка, в котором они находятся относительно пути луча. Они установлены вокруг четырех ахроматных магнитов (которые используются для отклонения луча). Вся система расположена вдоль линии луча и находится внутри вакуумного бака.

CHANTI

Этот заряженный детектор противодействия счетчику (CHANTI) в первую очередь предназначен для наложения вето на события с неупругими взаимодействиями между частицами пучка и GTK3. Детектор состоит из шести плоскостей сцинтилляционных детекторов, окружающих луч.

Straw Tracker

Луч каонов проходит через область выше по потоку и в область распада, область длиной примерно 60 м внутри большого вакуумного резервуара, после чего продукты распада обнаруживаются в строу трекерные станции. Система измеряет направление и импульс вторичных заряженных частиц, которые приходят из области распада. Этот спектрометр состоит из четырех камер, пересекаемых высокоапертурным дипольным магнитом. Каждая из камер состоит из нескольких трубок-соломок, расположенных так, чтобы обеспечивать четыре обзора для получения четырех координат. Из 7168 соломинок во всей системе только одна была дефектной. Протекающая соломинка была закрыта, и детектор работал нормально в течение 2015 года.

Photon Veto Systems

Эксперимент имеет систему вето фотонов, которая обеспечивает герметичное покрытие от 0 до 50 миллирадиан. Эта система состоит из нескольких подсистем, охватывающих разные угловые диапазоны; Большой угол Vetos (LAV) покрывает 8,5–50 мрад, калориметр жидкого криптона (LKr) покрывает 1-8,5 мрад и Small Angle Vetos (SAV) покрывает 0–1 мрад.

Big Angle Vetos (LAV)

12 станций LAV состоят из четырех или пяти кольцевых сцинтилляционных детекторов из свинцового стекла, окружающих объем распада. Первые 11 станций работают в том же вакуумном резервуаре, что и объем распада и СОЛОМА, в то время как последняя камера (LAV12) расположена после RICH и работает на воздухе.

Малоугловой калориметр (SAV), промежуточный кольцевой калориметр (IRC) и малоугловой калориметр (SAC)

IRC и SAC - это электромагнитные калориметры для отбора проб, построенные из чередующихся слоев свинцовых и пластиковых сцинтилляторов. САК устанавливается в самом конце экспериментальной установки на одной линии с траекторией луча, но после того, как заряженные частицы отклоняются и отправляются в отвод луча. Это означает, что любые фотоны, движущиеся вдоль направления луча до угла 0, могут быть обнаружены.

Жидкий криптоновый калориметр (LKr)

Детектор LKr повторно используется из NA48 с модернизированными системами считывания. Активный материал калориметра - жидкий криптон. Электромагнитные ливни, инициированные заряженными частицами или фотонами, обнаруживаются с помощью ионизационных электронов, которые дрейфуют к анодам, расположенным внутри жидкого криптона. Сигналы усиливаются и передаются в системы считывания.

Кольцевой черенковский детектор (RICH)

RICH предназначен для различения пионов и мюонов для частиц с импульсом от 15 до 35 ГэВ / c. Он состоит из сосуда длиной 17,5 м и диаметром до 4,2 м, заполненного азотом (около 990 мбар). Когда заряженные частицы проходят через газ, черенковские фотоны испускаются под фиксированным углом, определяемым импульсом и массой частицы, а также давлением азота. Фотоны отражаются от матрицы зеркал на нижнем конце RICH и обнаруживаются двумя матрицами детекторов на фотоумножителях на верхнем конце сосуда.

Заряженные годоскопы (NA48-CHOD CHOD)

Детекторы CHOD представляют собой сцинтилляционные детекторы, которые обеспечивают вход в триггерную систему, обнаруживающую заряженные частицы. Система состоит из детектора NA48-CHOD, повторно использованного в эксперименте NA48 и состоящего из двух плоскостей сцинтилляционных полосок, расположенных вертикально и горизонтально, и недавно сконструированного CHOD, построенного из массива сцинтилляционных плиток, считываемых кремниевыми фотоумножителями.

Адронные калориметры (MUV1 и MUV2)

MUV1 и MUV2 - это адронные калориметры для отбора проб, сформированные из чередующихся слоев железа и сцинтилляторов. Недавно построенный MUV1 имеет тонкую поперечную сегментацию для разделения электромагнитных и адронных компонентов ливней, а MUV2 повторно используется из NA48.

Мюонный вето-детектор (MUV3)

MUV3 состоит из плоскости сцинтилляционных плиток, считываемых парой фотоумножителей, и расположен за 80-сантиметровой железной стеной, которая блокирует выход частиц должны быть обнаружены только мюоны. Этот детектор обеспечивает быстрое вето мюонов на уровне запуска и используется для идентификации мюонов на уровне анализа.

Данные

В эксперименте было выполнено несколько тестов, чтобы убедиться, что новые компоненты детектора работают правильно. Первый физический прогон с почти полным детектором был проведен в 2015 году. NA62 собирал данные в 2016, 2017 и 2018 годах перед длительным остановом в ЦЕРН 2. Анализ данных продолжается, и готовятся некоторые результаты.

В рамках эксперимента несколько документов были созданы и находятся в процессе создания. Список опубликованных работ по эксперименту NA62 можно найти здесь.

Результаты

$K + → π + ν ν ¯ {\ displaystyle K ^ {+} \ rightarrow \ pi ^ {+} \ nu { \ overline {\ nu}}}$ ${\ displaystyle K ^ {+} \ rightarrow \ pi ^ {+} \ nu {\ overline {\ nu}}}$

Данные за 2016 г.

Опубликованные результаты:.

Данные за 2017 год

Результаты, впервые представленные на конференции KAON19.

Запрещено $K + {\ displaystyle K ^ {+}}$ $K ^ {{+}}$ Распад

$K + → π - ℓ + ℓ + {\ displaystyle K ^ {+} \ rightarrow \ pi ^ {-} \ ell ^ {+} \ ell ^ {+}}$ ${\ displaystyle K ^ {+} \ rightarrow \ pi ^ {-} \ ell ^ {+} \ ell ^ {+}}$ (нарушение лептонного числа)

Опубликованы результаты:

Exotics

Тяжелый нейтральный лептон