2017 Fiscal Year Annual Research Report

KOTO実験を利用したinvisible粒子の探索

Research Project

Project/Area Number	17J02178
Research Institution	Osaka University
Principal Investigator	清水信宏大阪大学, 理学研究科, 特別研究員(PD)
Project Period (FY)	2017-04-26 – 2020-03-31
Keywords	素粒子物理学 / ダークフォトン / 新物理探索 / KOTO
Outline of Annual Research Achievements	本研究は，中性中間子であるπ０の崩壊を通じたinvisible(検出器で直接観測できない)粒子の探索を目的としている。その候補の一つであるダークフォトン(Ａ')はπ0→γγ崩壊によって作られた光子とミキシングを起こす(γ→Ａ')。Ａ'が十分長い寿命をもつ場合，それは観測されないが，消失した光子と対になる光子とπ0の運動量から，間接的にその存在を検証することが可能である。本研究では，π０中間子を大量に生成することが可能な中性K中間子の反応，ＫＬ→π０π０π０崩壊を利用した解析を試みている。ＫＯＴＯ実験は，Ｊ－ＰＡＲＣＫＬビームラインとKOTO検出器を利用したプロジェクトで，稀崩壊ＫＬ→π０ννの精密測定を通じて，既存の枠組みでは説明の出来ない物理現象（新物理）の探索を行っている。非常に小さい崩壊分岐比(B=(3.0±0.3)×10^(-11))の検証を可能にすべくデザインされているため，結果的にA'の探索に優れた実験環境でもある。実際，ＫＯＴＯ実験では，２０１７年から２０１８年にかけて，2×10^19 ＰＯＴ(proton on target: ＫＬを生成する陽子ビームに使用された陽子の数)のデータ取得に成功した。私もこのデータ取得に貢献した。実験データ取得と並行して，本年度はＡ'探索の実現可能性の研究をおこなった。モンテカルロ法を用いて，事象選別の手法を追求し，予想される到達感度の向上を行ったほか，予想される背景事象の理解を深めることができた。また，背景事象を削減するための検出器のアップグレード計画も同時にすすめた。
Current Status of Research Progress	Current Status of Research Progress 2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned. Reason 2017年度は，A'探索の実現可能性の研究をおこなった。モンテカルロ法を用いて，事象選別の手法を追求し，予想される到達感度の向上を行ったほか，予想される背景事象の理解を深めることができた。 RCoE とは観測されたエネルギー重心の位置の半径である。KOTO検出器では，光子のエネルギーと位置は，ビームに垂直に相対するCsIカロリーメーターで測定する。したがって，観測される情報は，二次元上にマッピングされたエネルギーとなる。A'によって横方向の運動量が持ち去られると，横方向の運動量が偏ることになり，それは重心位置のずれとして現れる。信号事象の抽出の目途がたち，現在はその系統誤差の評価を始めている。
Strategy for Future Research Activity	2018年は既に取得したデータの解析を進める傍ら，CsIカロリーメーターのアップグレードの準備を行う。A'事象の感度を抑制する他の要因としてKL→π0π0→4γ崩壊に加えて，中性子がエネルギーを落とす事象が挙げられる。この場合も五つの光子が観測されたようにみえるため，背景事象の一因となる。J-PARC KLビームラインは大強度の中性ハドロンビームであるため，厳しい中性子バックグラウンドの環境にさらされている。実際KL→π0νν崩壊の探索において，中性子背景事象は深刻な問題の一つとなっている。本アップグレードは，CsI結晶の前面にMPPC(multi pixel photon counter)を設置することで，中性子とγの弁別能力を向上させることを目的としている。光子はカロリーメーターの前面でシャワーを起こしてエネルギーを落とすのに対し，中性子はカロリーメーターの奥まで侵入するために，既にCsIの下流端に配してあるPMT(photon multiplexer tube)とMPPCで測定された波形の到達時間差を測定することで，両者を識別することが可能となる。今後は，夏に予定されているアップグレードのために，MPPC接着手法の開発，準備をすすめていく。