2021 Fiscal Year Final Research Report

Development research aiming at the highest precision measurement of the muon lifetime

Research Project

PDF

Project/Area Number	20K14504
Research Category	Grant-in-Aid for Early-Career Scientists
Allocation Type	Multi-year Fund
Review Section	Basic Section 15020:Experimental studies related to particle-, nuclear-, cosmic ray and astro-physics
Research Institution	High Energy Accelerator Research Organization
Principal Investigator	Kanda Sohtaro 大学共同利用機関法人高エネルギー加速器研究機構, 物質構造科学研究所, 助教 (10800485)
Project Period (FY)	2020-04-01 – 2022-03-31
Keywords	ミュオン / 粒子検出器 / フェルミ結合定数
Outline of Final Research Achievements	In this project, we developed a segmented positron detector aiming at precise muon lifetime measurement using an intense pulsed muon beam at J-PARC MLF MUSE. The following outcomes were obtained. (1) A high-rate tolerant positron detector was developed by combining small scintillators, silicon photomultipliers, and fast-response front-end electronics. (2) We measured the lifetime of positive and negative muons using pulsed muon beams at MUSE and established a method to analyze the time spectrum with a function modeling the detector pileup. With these results, significant progress was made toward realizing a new muon lifetime measurement.
Free Research Field	素粒子・原子核物理学
Academic Significance and Societal Importance of the Research Achievements	ミュオンは素粒子の一種であり、その平均寿命の測定は素粒子物理学における標準模型の検証に役立つ。寿命測定によって、弱い相互作用の強さを表すフェルミ結合定数が求められる。近年、異なる手法で求められたフェルミ結合定数の不一致やWボソン質量の乖離が報告されており、フェルミ結合定数の新たな精密測定は標準模型の理解を深化させる上で重要な役割を果たす。また、測定対象を負ミュオンに拡大したことで、ミュオンと原子核との反応を介して核物理への展開も可能となった。さらに、本研究で開発した高性能の粒子検出器はミュオンスピン分光器の高度化にも寄与し、ミュオンスピン緩和法を用いた物質科学研究への波及効果も期待できる。