Backup of COMET(No. 19)

COMET 実験グループ †

　COMET (COherent Muon to Electron Transition) 実験は、ミューオンを使って新しい物理法則の発見を目指す国際共同実験です。J-PARC（大強度陽子加速器施設、茨城県東海村）のパルスミューオンビームを利用し、ミューオンの稀な崩壊過程（ミューオン電子転換過程）を１京分の１の精度で探索します。九州大学素粒子実験研究室も本実験に参加しており、2017年ごろの実験開始に向けて検出器の開発やシミュレーションを用いた研究を行っています。

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新たな物理法則の発見を目指す †

　素粒子物理の基本的な相互作用を記述した”標準理論”は多くの実験的事実を矛盾なく説明することができますが、一方で重力の量子化や暗黒物資の存在など未だに解決できない問題が残っています。これは私たちがまだ知り得ていない新たな物理法則の存在を意味します。

　"標準理論"では世代ごとのレプトン数（＝レプトンの数ー反レプトンの数）は保存され、反応の前後で変化しません。この法則をレプトンフレーバー保存則と呼びます。一般的なのミューオンの崩壊ではレプトンフレーバー保存則に則り、反応の前後でそれぞれの世代におけるレプトン数は変化しません。対してミューオン電子転換過程ではそれぞれの世代におけるレプトン数が反応の前後で異なります。ミューオン電子転換過程はレプトンフレーバー保存則を破るので"標準理論"において強く制限され、10-54の確率でしか起こりません。しかし、いくつかの標準理論を超えた枠組みの理論によると測定可能な範囲（10-16：１京分の１の確率）でこの反応が起こると予想されてます。COMET実験では、ミューオン電子転換過程を実験的に発見することで新たな物理法則の発見を目指します。

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ミューオン電子転換過程 †

　一般的なミューオンの崩壊過程では電子と共に２つのニュートリノ（電子ニュートリノとミューニュートリノ）が放出されるので、それぞれの世代におけるレプトン数（右図での電子数、ミューオン数）は保存されます。また、ミューオンの質量分のエネルギー（約105 MeV/c2）を3つの粒子で分け合うため、電子のエネルギーは105 MeV/c2（メガ電子ボルト）より低い様々な値を持ちます。

　ミューオン電子転換過程では、原子核近傍のミューオンがニュートリノを放出せずに１個の電子へと崩壊するため、世代ごとのレプトン数が保存されません。また、ミューオンの質量分のエネルギーを全て１個の電子が持っていくため、ミューオン電子転換過程で放出される電子のエネルギーは105 MeV/c2と決まっています。そのため、電子を精密に測定することで、ミューオン電子転換過程由来の電子を識別することができます。

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COMET 実験概要 †

　J-PARCの世界最大強度のパルス陽子ビームをパイオン生成標的に照射し、発生したパイオンをソレノイド磁場で捕獲します。パイオンは湾曲ソレノイド内でミューオンに崩壊します。湾曲ソレノイドは電荷と運動量を識別できるので、低エネルギーの負電荷ミューオンのみを選択し輸送します。このミューオンをミューオン静止標的で静止させます。ミューオン静止標的に静止したミューオンが崩壊して発生した電子を測定します。

　COMET 実験はPhase-IとPhase-II の2段階で行われます。Phase-Iではミューオン輸送ソレノイドの90度湾曲部までしか作成しません。そのため、Phase-II用の検出器のままでは標的に当たらなかった多数の粒子が検出器に当たり、見たい信号が埋もれてしまいます。そこでPhase-IではPhase-IIとは異なる検出器（円筒型検出器群）で電子の測定を行います。

Phase-IIでは、180度湾曲ソレノイドからなる電子輸送部で105MeV/c2領域の電子のみ選択し、検出器部に輸送します。検出器は、真空中に置かれたストローガス飛跡検出器とシンチレーション結晶からなる電子カロリメータから構成され、電子の運動量とエネルギーを測定します。

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