COMET

Процессы с нарушением лептонного числа в секторе заряженных лептонов (CLFV) обеспечивают весомый вклад в поиск новой физики с чувствительностью к параметрам широкого спектра новых физических моделей — SUSY, дублетов Хиггса, дополнительных размерностей и, в частности, моделей, объясняющих иерархию масс нейтрино. Наиболее чувствительное исследование CLFV обеспечивается экспериментами, которые используют высокоинтенсивные мюонные пучки для поиска переходов CLFV мюона в электрон — это эксперименты: ${\mu}^{+} \to e^{+} \gamma$ (MEG в PSI, Швейцария): ${\mu}^{+} \to e^{+}e^{−}e^{+}$ (Mu3e в PSI, Швейцария) и когерентная безнейтринная конверсия мюона в электрон в поле ядра $\mu^{−} N \to e^{−}N$ (COMET в J‑PARC, Япония; Mu2e в Fermilab, США).

Эксперимент COMET направлен на измерение безнейтринного когерентного перехода мюона в электрон в поле ядра алюминия. Сигнатурой события когерентного безнейтринного $\mu^{−} \to e^{−}$ преобразования в мюонном атоме является испускание моноэнергетического одиночного электрона в определенный интервал времени. Энергия сигнального электрона для алюминия равна 104.97 МэВ, а время жизни мюонного атома составляет 864 нс.

Это делает безнейтринную $\mu^{−} \to e^{−}$  конверсию очень привлекательной с экспериментальной точки зрения. Во-первых, энергия $e^{−}$ около 105 МэВ намного выше конечной энергии спектра распада мюона (∼52.8 МэВ). Во-вторых, поскольку сигнатурой события является моноэнергетический электрон, измерение совпадений не требуется. В‑третьих, большое время жизни означает, что фон, связанный с пучком, может быть устранен. Таким образом, поиск этого процесса имеет потенциал для улучшения чувствительности за счет использования высокой скорости мюонов, не имея при этом случайных фоновых событий.

Существуют различные теоретические модели, предсказывающие значительные уровни чувствительности к процессам смешивания заряженных лептонов. Наиболее обоснованные среди них — это модели SUSY-GUT или SUSY-Seesaw, являющиеся продолжением SM. Обзор современных теоретических обоснований нарушения лептонного аромата, а также данных о текущих экспериментальных пределах и ожидаемых улучшениях был сделан Marciano, Mori и Roney.

Эксперимент COMET будет проводиться с использованием двухэтапного подхода: Фаза-I и Фаза-II. Экспериментальная цель Фазы-I — это достижение чувствительности для процесса мюон‑электронной конверсии на уровне $3.1×10^{−15}$, или с 90%-ой вероятностью $7×10^{−15}$, что в 100 раз превышает существующий предел $7×10^{−13}$, полученный коллаборацией SINDRUM-II в PSI на атомах золота ($\mu^{−} + Au \to e^{−} + Au$). Целью Фазы‑II является SES $2.6×10^{−17}$, что в 10 000 раз лучше, чем существующий экспериментальный предел. Общее расчетное значение фона для Фазы-I составляет примерно 0,032 события, с коэффициентом затухания протонов $3×10^{−11}$. Для достижения требуемой чувствительности и фонового уровня будет использоваться 8 ГэВ протонный пучок мощностью 3.2 кВт ускорительного комплекса J‑PARC (Япония). Два типа детекторов: CyDet (детекторная система цилиндрической пропорциональной камеры) и StrECAL (строу трекер и электромагнитный калориметр (ECAL)), будут использоваться для обнаружения событий преобразования $\mu^{−} \to e^{−}$ и для измерения фоновых событий, связанных с пучком.

Специалисты ЛЯП ОИЯИ успешно участвуют в подготовительном этапе эксперимента COMET. Для Фазы‑I сотрудники ОИЯИ изготовили и протестировали весь комплект строу‑трубок диаметром 9.8 мм, длиной 1.6 м (более 2700 штук), а для Фазы‑II изготовят весь комплект строу-трубок диаметром 5 мм. Специалисты ОИЯИ активно участвуют в создании строу трекера, электромагнитного калориметра и cистемы исключения космических лучей (CRV) на этапах моделирования и производства научно-технических работ. Они также продолжат принимать активное участие в сборке и обслуживании этих детекторов. Специалисты ОИЯИ участвуют в анализе данных тестовых измерений и будут участвовать в анализе данных эксперимента COMET.

Ожидаемые результаты по завершении проекта

• Завершение сборки, испытаний, калибровки, установки, испытаний космикой и технического обслуживания строу детектора для Фазы-I.
• Разработка и оптимизация метода калибровки кристаллов для калориметра с учетом особенностей эксперимента: наличие магнитного поля и калориметра высокого разрешения.
• Моделирование комплексной детекторной системы (трекер, калориметр и т.д.).
• Участие в подготовке, инженерно-физическом запуске, сборе и анализе данных Фазы-I.
• Научно-исследовательская программа по производству строу-трубок с толщиной стенки 12 мкм и диаметром 5 мм. Измерение всех механических свойств и разработка стандартов для контроля качества изготовленных новых строу-трубок диаметром 5 мм.
• Производство строу-трубок диаметром 5 мм (около 1000 шт.) для полномасштабного прототипа.
• Изготовление полномасштабной строу-станции в ОИЯИ с новыми трубками (12 мкм, 5 мм), и измерения на пучке.
• Подготовка, массовое производство и испытания строу-трубок для Фазы-II.
• Участие в проектировании, сборке, монтаже, испытаниях космикой и техническом обслуживании калориметра в полном объеме.
• Участие в сборке и обслуживании CRV для Фазы-I и Фазы-II.
• Участие в испытаниях пучком компонентов детектора для Фазы II
• Участие в сборке, тестировании, монтаже и техническом обслуживании всей детекторной системы для Фазы-II.