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2014년 1월 20~25일 충돌물리에 대한 공개 겨울 학교: 고등과학원 (강원도 휘닉스파크) 고려대학교 물리학과 원은일: Charged lepton flavour violation

Charged Lepton Flavour Viola4on:�� 실험

고려대학교�� 물리학과�� 원은일

2014년�� 1월�� !

충돌물리에 대한 공개 겨울 학교: 고등과학원 (강원도 휘닉스파크)

��1


Standard Model

��2

✓⌫ee�

◆✓⌫µµ�

◆✓⌫⌧⌧�

◆

✓ud

◆✓cs

◆✓tb

◆


cLFV 실험의 종류(뮤온)

��3

µ+ ! e+�

µ�N ! e�N

µ+ ! e+e�e+

(µ+e�) ! (µ�e+)

•모두 표준 모형에서는 “금지”되어 있는 붕괴 방식들임

•표준모형을 넘어서는 새로운 물리현상 발견 목표로 세계적 경쟁 매우 심함

2014년 1월 20~25일 충돌물리에 대한 공개 겨울 학교: 고등과학원 (강원도 휘닉스파크) 고려대학교 물리학과 원은일: Charged lepton flavour violation ��4

1940 1950 1960 1970 1980 1990 2000 2010 2020 2030-1910

-1710

-1510

-1310

-1110

-910

-710

-510

-310

-1101

Bernstein and Cooper (2013)


µ+ ! e+�


µ+ ! e+�

Muon to e gamma• 마지막 실험은 2006: SINDRUM II @ PSI (Eur. Phys. J. C 47,

(2006) 337) �(µ�Au ! e�Au)

�(µ�Au)< 7⇥ 10�13

Momentum (MeV/c)


Muon to e gamma

��7

•신호와 백그라운드

µ+ ! e+�

- 양전자와 광자가 직선상에 방출 (뮤온은 정지함)

신호의 특성

- 두 입자 모두 뮤온 질량의 1/2 의 운동량 가짐

- 두 입자 동시에 방출됨

백그라운드의 특성

- Radiative 뮤온 붕괴: - Accidental coincidence:

따라서 양전자와 광자의 에너지, 운동량, 시간을 아주 정확하게 측정하는 것이 매우 중요

µ+ ! e+�


MEG @ PSI

��8

•현재 유일하게 가동중인 cLFV 실험

•μ→eγ 탐색을 < 10-‐13 까지 목표로 설정

• PSI DC muon beam (108 μ+/s)

• Liquid Xe photon detector

• COBRA positron spectrometer

µ+ ! e+�


MEG @ PSI

��9

• COBRA Spectrometer: Constant Bending Radius positron spectrometer

µ+ ! e+�

- 다양한 각도로 날아오는 단일 에너지 양전자에 대하여 각도에 무관하게 검출


MEG @ PSI

��10

µ+ ! e+�

•연구 결과 및 앞으로의 계획• Phys. Rev. Le`. 110, 201801 (2013): Br < 5.7 x 10-‐13 (world best limit)

• 앞으로 두배정도의 데이터를 추가 분석하여 새로운 결과 예상

• MEG upgrade

clfv2013, Sawada


µ�N ! e�N•세계적 경쟁이 극심한 분야

•미국: Mu2e (Fermilab)

•일본: COMET (J-PARC)


실험 개요

��12

µ�N ! e�N


실험 개요

��13

•뮤온(-)가 원소에 포획됨

µ�N ! e�N

µ�N ! e�N

- 전자 하나가 단일 에너지를 가지고 방출됨: 105 MeV for Al target

신호의 특성

백그라운드

µ� ! e�⌫̄e⌫µ- 포획된 뮤온의 binding energy ~ 500 keV

decay in orbit (DIO)

~ 440 fm

~ 20 fm

신호의 분모muon capture to nucleus

µ�N ! ⌫µX

실험 측정량

Rµe =µ�N ! e�N

µ�N ! ⌫µX


실험 개요

��14

•백그라운드

µ�N ! e�N

Prompt background: 광자 방출 파이온 포획 (radiative pion capture)

⇡�N ! X�

이 광자의 에너지는 최대 139 MeV 이고 105 MeV인 전자로 convert 가능 (물질과의 상호작용으로)

1) 따라서 펄스 뮤온 빔에 파이온 또는 양성자들이 거의 없어야 함

2) 파이온이 붕괴할 때까지 (정지계에서 평균수명 26 ns) 데이터를 받지 않음

반드시 펄스 빔이 필요!


Mu2e

��15

µ�N ! e�N

•Mu2e (Fermilab)에 제안된 실험

보통 입자물리학 실험과는 매우

다른 컨셉으로 디자인 됨

양성자 빔 시간 구조

- 양성자 빔 타겟 충돌 직후 데이터 받지 않음

- 탐색 영역에서 양성자나 파이온이 “거의” 없도록 빔 튜닝 요구

검출기 개요 그림


COMET

��16

µ�N ! e�N

•COMET (일본 J-‐PARC)에 제안된 실험

검출기 개요 그림 양성자 빔 시간 구조

Mu2e와 매우 유사함


Mu2e/COMET

��17

µ�N ! e�N

•COMET Stage I goal: B(µ� +Al ! e� +Al) < 3.1⇥ 10�15


Mu2e/COMET

��18

µ�N ! e�N

• Mu2e: COMET phase II 계획과 비슷함


µ+ ! e+e�e+


Muon to eee

��20

• In standard model, it is extremely suppressed

µ+ ! e+e�e+

• 마지막 실험은 1988: SINDRUM @ PSI (Nucl. Phys. B299, (1988) 1)

Bµ!3e =�(µ+ ! e+e�e+)

�(µ+ ! e+⌫e⌫̄µ)< 1.0⇥ 10�10


Muon to eee

��21

•현재 독일 그룹에서 새로운 실험 제안 중에 있음

µ+ ! e+e�e+

http://www.physi.uni-heidelberg.de/Forschung/he/mu3e/documents/LOI_Mu3e_PSI.pdf or http://arxiv.org/pdf/1301.6113.pdf

•목표: 2017년까지 10-16

http://www.physi.uni-heidelberg.de/Forschung/he/mu3e/documents/LOI_Mu3e_PSI.pdf

http://arxiv.org/pdf/1301.6113.pdf


정리

��22

•cLFV 연구는 LHC와 상호 보완적 기초물리학 연구

•간접적으로 100 TeV 이상의 새로운 물리학 탐구 가능

•현재 전 세계적 경쟁이 진행되고 있음

•여러분들도 중요성을 인식하고 열심히 연구하기를 바랍니다


참고문헌

��23

[1] arXiv:1307.5787 Charged Lepton Flavor Viola4on: An Experimenter’s Guide, R. H. Bernstein and P. S. Cooper ![2] Rev. of Mod. Phys. 73 151 (2001): Muon decay and physics beyond standard model, Y. Kuno and Y. Okada ![3] h`p://clfv2013.le.infn.it 1st Conference on Charged Lepton Flavor Viola4on, Leece, Italy

http://clfv2013.le.infn.it

charged(lepton(flavour( violaon :실험particle.korea.ac.kr/news/kias_winter_clfv.pdf · 2014. 1....

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