Search for new physics in particle physics with world-highest sensitivity of neutral kaon experiment

• Project/Area Number: 21H04995
• Research Category: Grant-in-Aid for Scientific Research (S)
• Allocation Type: Single-year Grants
• Review Section: Broad Section B
• Research Institution: The University of Osaka
• Principal Investigator: 南條 創 大阪大学, 大学院理学研究科, 教授 (40419445)
• Co-Investigator(Kenkyū-buntansha): 野村 正 大学共同利用機関法人高エネルギー加速器研究機構, 素粒子原子核研究所, 准教授 (10283582) ; 田島 靖久 山形大学, 学士課程基盤教育院, 教授 (50311577) ; 松村 徹 防衛大学校(総合教育学群、人文社会科学群、応用科学群、電気情報学群及びシステム工学群), 応用科学群, 准教授 (00545957)
• Project Period (FY): 2021-07-05 – 2026-03-31
• Project Status: Granted (Fiscal Year 2025)
• Budget Amount: ¥185,510,000 (Direct Cost: ¥142,700,000、Indirect Cost: ¥42,810,000); Fiscal Year 2025: ¥17,420,000 (Direct Cost: ¥13,400,000、Indirect Cost: ¥4,020,000); Fiscal Year 2024: ¥27,820,000 (Direct Cost: ¥21,400,000、Indirect Cost: ¥6,420,000); Fiscal Year 2023: ¥40,560,000 (Direct Cost: ¥31,200,000、Indirect Cost: ¥9,360,000); Fiscal Year 2022: ¥37,830,000 (Direct Cost: ¥29,100,000、Indirect Cost: ¥8,730,000); Fiscal Year 2021: ¥61,880,000 (Direct Cost: ¥47,600,000、Indirect Cost: ¥14,280,000)
• Keywords: フレーバ物理 / CPの破れ / K中間子稀崩壊 / 物質優勢宇宙の起源 / K中間子の稀崩壊 / 物質宇宙の起源 / 稀崩壊 / 物質優勢宇宙の謎 / CP対称性の破れ / 中性K中間子の稀崩壊

Outline of Research at the Start

“なぜ宇宙が物質ばかりで、反物質がほとんどないのか”という謎を解明する素粒子の新しい物理を探索します。現在最も信頼できる素粒子標準理論でもこの物質優勢宇宙は説明できず、別の新しい機構が必要とされています。この解明を目指し、粒子反粒子の対称性を破る中性K中間子の崩壊を探索します。我々はこの目的でJ-PARC加速器を用いてKOTO実験を推進し、すでに世界最高感度に到達しています。本研究計画では、実験装置を改良し、新たにわかった背景事象を削減し、実験感度を1桁向上することで、新物理に迫ります。

Outline of Annual Research Achievements

KOTO実験で2021年度に取得したデータを解析し、背景事象数の予測0.3以下となる事象選択を決定した。信号事象領域をアンブラインドした結果、候補事象は存在せず、KL->pi0nunubar崩壊の分岐比に2x10^{-9}の上限値を与えた。また、厚さ0.2mmのプラスチックシンチレータによる超低物質量荷電粒子検出器をKOTO検出器システムに設置し、1週間のビームデータを取得した。この結果、荷電K中間子背景事象を1/1000以下に削減できることを示した。また、データ収集システムをGPUを用いたコンピュータにより増強し、初めてビームデータを取得した。1%以下の事象損失で、40Gbpsによるデータ収集ができることを示した。さらに、今年度後半にかけて、KOTO実験のビームライン最下流部を改造し、永久磁石を設置した。来年度のビーム取得からは、上述の荷電粒子検出器と合わせて荷電K中間子背景事象を1/10000以下にできる予定である。K中間子が2個のπ0中間子へ崩壊する背景事象を正確に見積もるため、検出器のγ線不感率を電子ビームを用いて試験した。さらに、上流バレル検出器増強に向けても検出器開発を進め、波長変換ファイバーの性能と熱中性子不感性を研究した。これらの成果を国内国外の学会発表を通じて発信した。加速器施設J-PARCでのビーム供給が１週間しかなくK中間子の稀崩壊の探索は進まなかったが、予定どおり検出器とデータ取得システムの性能を向上させた。次年度以降のデータ取得により探索感度向上を目指す。

Current Status of Research Progress

2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.

Reason

実験データ解析を進め、プレリミナリではあるが、上限値を更新し、世界最高感度探索を更新した。当初の計画どおりかそれ以上に検出器とデータ収集システムの準備が進み、高感度なK中間子の稀崩壊探索ができる準備が整っている。一方で、加速器施設からのビーム供給が少なく、探索感度の進捗は遅れている。

Strategy for Future Research Activity

高感度探索を可能とする検出器とデータ収集システムを用いて、ビームデータの供給に合わせて、データ収集を進め、K中間子稀崩壊探索を進める。加速器チームと協力してビーム品質を改善する。バレル部検出器について要素開発をすすめ、実現を目指す。

Assessment Rating

Interim Assessment

A: 順調に研究が進展しており、期待どおりの成果が見込まれる

Research Products

• [Int'l Joint Research] University of Chicago(米国)
• [Int'l Joint Research] JEONBUK NATIONAL UNIVERSITY/KOREA UNIVERSITY(韓国)
• [Int'l Joint Research] NATIONAL TAIWAN UNVIVERSITY(その他の国・地域)
• [Int'l Joint Research] University of Chicago(米国)
• [Int'l Joint Research] Korea University/Jeonbuk National University,(韓国)
• [Int'l Joint Research] University of Chicago(米国)
• [Int'l Joint Research] National Taiwan University(その他の国・地域(台湾))
• [Int'l Joint Research] Jeonbuk National University/Korea University(韓国)
• [Journal Article] Status of the KOTO experiment to search for kaon rare decays (2024)
  • Author(s): Nanjo Hajime、KOTO Collaboration
  • Journal Title: Proceeding of Science DISCRETE2022 Volume: 431 Pages: 002-002
  • DOI: 10.22323/1.431.0002
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] KOTO II at J-PARC : toward measurement of the branching ratio of KL→π0νν (2023)
  • Author(s): Nanjo Hajime
  • Journal Title: Journal of Physics: Conference Series Volume: 2446 Issue: 1 Pages: 012037-012037
  • DOI: 10.1088/1742-6596/2446/1/012037
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] New physics searches at kaon and hyperon factories (2023)
  • Author(s): Goudzovski Evgueni、Redigolo Diego、Tobioka Kohsaku、Zupan Jure、Alonso-Alvarez Gonzalo、Alves S.M. Daniele、Bansal Saurabh、Bauer Martin、Brod Joachim、Chobanova Veronika、D'Ambrosio Giancarlo、Datta Alakabha、Dery Avital、Dettori Francesco、Dobrescu A. Bogdan、Dobrich Babette、Egana-Ugrinovic Daniel、et al
  • Journal Title: Reports on Progress in Physics Volume: 86 Issue: 1 Pages: 016201-016201
  • DOI: 10.1088/1361-6633/ac9cee
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Development of a PMT base used for the new charged veto detector in the J-PARC KOTO experiment (2023)
  • Author(s): Ayumu Kitagawa
  • Journal Title: J.Phys.Conf.Ser. Volume: 2446
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Thin scintillation counter with a new readout method for the KOTO experiment (2023)
  • Author(s): Keita Ono
  • Journal Title: J.Phys.Conf.Ser. Volume: 2446
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Online Event Selection and GPU-based Waveform Compression at the High Level Trigger of the KOTO Experiment (2023)
  • Author(s): Mario Gonzalez
  • Journal Title: J.Phys.Conf.Ser. Volume: 2446
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Hadron shower background in KOTO 2019 - 2021 data (2023)
  • Author(s): Katsushige Kotera
  • Journal Title: J.Phys.Conf.Ser. Volume: 2446
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Reduction of charged kaon background in the KOTO experiment (2023)
  • Author(s): Ryota Shiraishi
  • Journal Title: J.Phys.Conf.Ser. Volume: 2446
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Search for the Pair Production of Dark Particles X with KL0→XX, X→γγ (2023)
  • Author(s): Lin C.、Gonzalez M、Kawata K.、Kitagawa A.、Kotera K.、Lim G、Matsumura T.、Nanjo H.、Nomura T.、Ono K.、Shibata T.、Shinohara S.、Shiomi K.、Shiraishi R.、Tajima Y. et al
  • Journal Title: Physical Review Letters Volume: 130 Issue: 11 Pages: 111801-111801
  • DOI: 10.1103/physrevlett.130.111801
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Presentation] The KOTO and KOTO-II experiments to study the rare kaon decay KL->pi0nunubar (2024)
  • Author(s): Hajime Nanjo
  • Organizer: DESY Particle and Astroparticle Physics Colloquium
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] Latest KOTO results from 2021 data on KL->pi0 nu nubar" (2024)
  • Author(s): Ryota Shiraishi
  • Organizer: Moriond EW 2024
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] KOTO II実験で検討している量子ドットシンチレータのための紫外線硬化アクリルを用いたシンチレータの開発 (2024)
  • Author(s): 片山 舞
  • Organizer: 日本物理学会2024年春季大会
• [Presentation] J-PARC KOTO実験 2021年データを用いたKL→π0\nu\bar{\nu}探索における信号事象感度の系統誤差評価 (2024)
  • Author(s): 白石 諒太
  • Organizer: 日本物理学会2024年春季大会
• [Presentation] Online event reconstruction and selection at the High-Level trigger of the J-PARC KOTO experiment (2024)
  • Author(s): Mario Gonzalez
  • Organizer: 日本物理学会2024年春季大会
• [Presentation] J-PARC KOTO実験におけるビーム中荷電粒子検出器の設置による背景事象への影響 (2024)
  • Author(s): 小野 啓太
  • Organizer: 日本物理学会2024年春季大会
• [Presentation] KOTO実験のための光核反応による光子不感率測定に用いたビーム評価 (2024)
  • Author(s): 片山 舞
  • Organizer: 日本物理学会2024年春季大会
• [Presentation] KOTO実験のための光核反応による光子不感率の標識化光子ビームを用いた評価 (2024)
  • Author(s): 川田 悠統
  • Organizer: 日本物理学会2024年春季大会
• [Presentation] KOTO and KOTO II (2023)
  • Author(s): Hajime Nanjo
  • Organizer: 4th J-PARC HEF-ex WS
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] KOTO: Status and Future Prospects (2023)
  • Author(s): Tadashi Nomura
  • Organizer: HQL2023
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] Search for KL->pi0 nu nubar at KOTO (2023)
  • Author(s): Koji Shiomi
  • Organizer: CKM2023
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] KOTO new results (2023)
  • Author(s): Koji Shiomi
  • Organizer: Kaons@CERN 2023
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] KOTO2 prospects and plans (2023)
  • Author(s): Hajime Nanjo
  • Organizer: Kaons@CERN 2023
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] Latest results on the KL->pi0nunubar search at the J-PARC KOTO experiment (2023)
  • Author(s): Koji Shiomi
  • Organizer: KEK IPNS and J-PARC joint invited seminar
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] KOTO: Search for Rare Neutral-Kaon Decays at J-PARC (2023)
  • Author(s): Ryota Shiraishi
  • Organizer: US-Japan Mini-Symposium 2023
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] J-PARC KOTO実験 2021年物理データの解析 (2023)
  • Author(s): 白石諒太
  • Organizer: 日本物理学会 第78回年次大会
• [Presentation] KOTO実験のための光核反応による光子不感率の評価手法 (2023)
  • Author(s): 川田悠統
  • Organizer: 日本物理学会 第78回年次大会
• [Presentation] KOTO ビームラインに新しく入れた荷電粒子検出器のトリガーカウンター (2023)
  • Author(s): 小寺克茂
  • Organizer: 日本物理学会 第78回年次大会
• [Presentation] 2023年ランデータを用いたKOTO実験用ビーム中荷電粒子検出器の性能評価 (2023)
  • Author(s): 小野啓太
  • Organizer: 日本物理学会 第78回年次大会
• [Presentation] KOTO Ⅱ実験にむけたJ-PARCハドロン実験施設ビームダンプ下流におけるミューオン・中性子フラックス測定 (2023)
  • Author(s): 平山義訓
  • Organizer: 日本物理学会 第78回年次大会
• [Presentation] Performance evaluation of the new GPU-based Level-3 Trigger of the KOTO experiment (2023)
  • Author(s): Mario Gonzalez
  • Organizer: 日本物理学会 第78回年次大会
• [Presentation] KOTO and KOTO II (2023)
  • Author(s): Koji Shiomi
  • Organizer: 3rd J-PARC HEF-ex WS - International Workshop on the Extension Project for the J-PARC Hadron Experimental Facility
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] Development of charged particle detector using 0.2-mm thick scintillator film for KOTO (2023)
  • Author(s): Keita Ono
  • Organizer: 3rd J-PARC HEF-ex WS - International Workshop on the Extension Project for the J-PARC Hadron Experimental Facility
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Kaon Experiments (2023)
  • Author(s): Taku Yamanaka
  • Organizer: Accomplishments and mysteries in quark flavor physics
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] KOTO実験 2021年ランでのK+背景事象削減のためのveto検出器性能評価 (2023)
  • Author(s): 白石諒太
  • Organizer: 日本物理学会第77回年次大会(2022年)
• [Presentation] KOTO実験のビーム中荷電粒子検出器に用いるPMTの真空使用に向けた基板部開発と性能評価 (2023)
  • Author(s): 北川歩
  • Organizer: 日本物理学会第77回年次大会(2022年)
• [Presentation] 薄いプラスチックシンチレータを新手法で読み出すKOTO実験用荷電粒子検出器の光学設計 (2023)
  • Author(s): 小野啓太
  • Organizer: 日本物理学会第77回年次大会(2022年)
• [Presentation] GPU computing and online event processing at the High Level Trigger of the KOTO experiment (2023)
  • Author(s): Gonzalez Mario
  • Organizer: 日本物理学会第77回年次大会(2022年)
• [Presentation] 低エネルギー中性子に着目したKOTO実験の信号損失の評価と抑制手法 (2023)
  • Author(s): 松村徹
  • Organizer: 日本物理学会第77回年次大会(2022年)
• [Presentation] KOTO 両読みCSIカロリメータの中性子弁別能の安定性 (2023)
  • Author(s): 小寺克茂
  • Organizer: 日本物理学会第77回年次大会(2022年)
• [Presentation] KOTO and KOTO Step-2 (2023)
  • Author(s): Hajime Nanjo
  • Organizer: 2nd J-PARC HEF-ex WS
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] Status of the KOTO experiment to search for kaon rare decays (2022)
  • Author(s): Hajime Nanjo
  • Organizer: DISCRETE 2022 - 8th Symposium on Prospects in the Physics of Discrete Symmetries
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] Search for the KL->pi0 nu nu decay at the J-PARC KOTO experiment (2022)
  • Author(s): Koji Shiomi
  • Organizer: KAON2022 - International Conference on Kaon Physics 2022
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] KOTO step-2 at J-PARC toward measurement of branching ratio of KL->pi0 nu nu (2022)
  • Author(s): Hajime Nanjo
  • Organizer: KAON2022 - International Conference on Kaon Physics 2022
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Online event selection and GPU-based waveform compression for the High Level Trigger of the KOTO experiment (2022)
  • Author(s): Mario Gonzalez
  • Organizer: KAON2022 - International Conference on Kaon Physics 2022
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Development of a PMT base used for an in-beam charged particle detector for the J-PARC KOTO experiment (2022)
  • Author(s): Ayumu Kitagawa
  • Organizer: KAON2022 - International Conference on Kaon Physics 2022
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Estimation of Hadron shower background in KOTO 2019 - 2021 data (2022)
  • Author(s): Katsushige Kotera
  • Organizer: KAON2022 - International Conference on Kaon Physics 2022
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] ffect of low-energy neutrons on accidental counting rate in the KOTO experiment (2022)
  • Author(s): Toru Matsumura
  • Organizer: KAON2022 - International Conference on Kaon Physics 2022
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Thin scintillation counter with a new readout method for the KOTO experiment (2022)
  • Author(s): Keita Ono
  • Organizer: KAON2022 - International Conference on Kaon Physics 2022
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Reduction of charged kaon background in the KOTO experiment (2022)
  • Author(s): Ryota Shiraishi
  • Organizer: KAON2022 - International Conference on Kaon Physics 2022
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Prospects in Kaon Decay Physics (2022)
  • Author(s): Hajime Nanjo
  • Organizer: Seattle Snowmass Summer Meeting 2022
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] J-PARC KOTO実験 2019，2020，2021年物理ランの解析状況 (2022)
  • Author(s): 塩見公志
  • Organizer: 日本物理学会2021年秋季大会(素核宇)
• [Presentation] J-PARC KOTO実験 2021年ランでのデータ取得と信号アクセプタンスの研究 (2022)
  • Author(s): 白石諒太
  • Organizer: 日本物理学会2021年秋季大会(素核宇)
• [Presentation] J-PARC KOTO実験におけるハローK中間子による背景事象数の評価 (2022)
  • Author(s): 加藤大志
  • Organizer: 日本物理学会2021年秋季大会(素核宇)
• [Presentation] 大強度K中間子ビームで挑むKL->π0νν崩壊の分岐比精密測定 (2022)
  • Author(s): 田島靖久
  • Organizer: 日本物理学会2021年秋季大会(素核宇)
• [Presentation] J-PARC KLビームラインの実験エリアにおける中性子の計測 (2022)
  • Author(s): 松村徹
  • Organizer: 日本物理学会2021年秋季大会(素核宇)
• [Presentation] K中間子で探るバリオジェネシス (2022)
  • Author(s): 塩見公志
  • Organizer: 日本物理学会2021年秋季大会(素核宇)
• [Presentation] Rare kaon decay in KOTO/KLOE-2 experiments (2022)
  • Author(s): Hajime Nanjo
  • Organizer: FPCP2021 - Conference on Flavor Physics and CP Violation
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] KOTO2 experiment (2022)
  • Author(s): Koji Shiomi
  • Organizer: J-PARC HEF-ex WS - International Workshop on the Extension Project for the J-PARC Hadron Experimental Facility
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] Search for rare kaon decays at the J-PARC KOTO experiment (2022)
  • Author(s): Koji Shiomi
  • Organizer: Twentieth Lomonosov Conference on Elementary Particle Physics
  • Invited
• [Presentation] Rare K decay: status and future output (2022)
  • Author(s): Hajime Nanjo
  • Organizer: ANOMALIES 2021 International Conference
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Remarks] KOTO experiment
  • URL: https://koto.kek.jp
• [Remarks] J-PARC E14 KOTO web page
  • URL: https://koto.kek.jp
• [Remarks] J-PARC E14 KOTO Experiment
  • URL: https://koto.kek.jp/
• [Funded Workshop] KAON2022 (2022)