Перевод первичных баллов во вторичные физика: Перевод баллов ЕГЭ в оценки » 4ЕГЭ

Решаем [латекс] \ frac {{V} _ {\ text {s}}} {{V} _ {\ text {p}}} = \ frac {{N} _ {\ text {s}}} {{N} _ {\ text {p}}} \\ [/ latex] для [latex] {N} _ {\ text {s}} \\ [/ latex] для N _s , номер петель во вторичной обмотке и введите известные значения.{4} \ end {array} \\ [/ latex].

Для создания такого большого напряжения требуется большое количество контуров во вторичной обмотке (по сравнению с первичной). Это справедливо для трансформаторов с неоновой вывеской и трансформаторов, подающих высокое напряжение внутри телевизоров и электронно-лучевых трубок.

Аналогичным образом мы можем найти выходной ток вторичной обмотки, решив [latex] \ frac {{I} _ {\ text {s}}} {{I} _ {\ text {p}}} = \ frac {{N } _ {\ text {p}}} {{N} _ {\ text {s}}} \\ [/ latex] для [латекса] {I} _ {\ text {s}} \\ [/ latex] для I _с и ввода известных значений.{4}} = 12,0 \ text {mA} \ end {array} \\ [/ latex].

Как и ожидалось, текущий выход значительно меньше входного. В некоторых зрелищных демонстрациях используются очень большие напряжения для образования длинных дуг, но они относительно безопасны, поскольку выход трансформатора не обеспечивает большой ток. Обратите внимание, что потребляемая мощность здесь составляет P _p = I _p V _p = (10,00 A) (120 В) = 1.20 кВт. Это равно выходной мощности P _p = I _s V _s = (12,0 мА) (100 кВ) = 1,20 кВт, как мы предполагали при выводе используемых уравнений.

Тот факт, что трансформаторы основаны на законе индукции Фарадея, проясняет, почему мы не можем использовать трансформаторы для изменения постоянного напряжения. Если нет изменений в первичном напряжении, значит, во вторичной обмотке нет напряжения. Одна из возможностей — подключить постоянный ток к первичной катушке через переключатель.Когда переключатель размыкается и замыкается, вторичная обмотка вырабатывает напряжение, подобное показанному на рисунке 4. На самом деле это не практичная альтернатива, и переменный ток обычно используется везде, где необходимо увеличивать или уменьшать напряжения.

Рис. 4. Трансформаторы не работают с входом чистого постоянного напряжения, но если он включается и выключается, как показано на верхнем графике, выход будет выглядеть примерно так, как показано на нижнем графике. Это не тот синусоидальный переменный ток, который нужен большинству устройств переменного тока.

Пример 2. Расчет характеристик понижающего трансформатора

Зарядное устройство, предназначенное для последовательного подключения десяти никель-кадмиевых аккумуляторов (суммарная ЭДС 12.5 В постоянного тока) должен иметь выход 15,0 В для зарядки аккумуляторов. В нем используется понижающий трансформатор с первичной обмоткой на 200 контуров и входным напряжением 120 В. (а) Сколько витков должно быть во вторичной катушке? (б) Если ток зарядки составляет 16,0 А, каков ток на входе?

Можно ожидать, что вторичный узел будет иметь небольшое количество петель. Решение [латекс] \ frac {{V} _ {\ text {s}}} {{V} _ {\ text {p}}} = \ frac {{N} _ {\ text {s}}} {{ N} _ {\ text {p}}} \\ [/ latex] для [latex] {N} _ {\ text {s}} \\ [/ latex] для N _s и ввод известных значений дает

[латекс] \ begin {array} {lll} {N} _ {\ text {s}} & = & {N} _ {\ text {p}} \ frac {{V} _ {\ text {s} }} {{V} _ {\ text {p}}} \\ & = & \ left (\ text {200} \ right) \ frac {15.0 \ text {V}} {120 \ text {V}} = 25 \ end {array} \\ [/ latex]

Текущие входные данные могут быть получены путем решения [latex] \ frac {{I} _ {\ text {s}}} {{I} _ {\ text {p}}} = \ frac {{N} _ {\ текст {p}}} {{N} _ {\ text {s}}} \\ [/ latex] для I _p и ввод известных значений. Это дает

[латекс] \ begin {array} {lll} {I} _ {\ text {p}} & = & {I} _ {\ text {s}} \ frac {{N} _ {\ text {s} }} {{N} _ {\ text {p}}} \\ & = & \ left (16.0 \ text {A} \ right) \ frac {25} {200} = 2.00 \ text {A} \ end {array} \\ [/ latex]

Количество петель во вторичной обмотке невелико, как и ожидалось для понижающего трансформатора. Мы также видим, что небольшой входной ток дает больший выходной ток в понижающем трансформаторе. Когда трансформаторы используются для управления большими магнитами, они иногда имеют небольшое количество очень тяжелых контуров во вторичной обмотке. Это позволяет вторичной обмотке иметь низкое внутреннее сопротивление и производить большие токи. Заметим еще раз, что это решение основано на предположении, что КПД 100% — или выходная мощность равна входной мощности ( P _p = P _s ), что является разумным для хороших трансформаторов.В этом случае первичная и вторичная мощность составляют 240 Вт. (Убедитесь в этом сами для проверки согласованности.) Обратите внимание, что никель-кадмиевые батареи необходимо заряжать от источника постоянного тока (как и аккумулятор на 12 В). Таким образом, выход переменного тока вторичной катушки необходимо преобразовать в постоянный ток. Это делается с помощью так называемого выпрямителя, в котором используются устройства, называемые диодами, которые пропускают только односторонний ток.

находят множество применений в системах электробезопасности, которые обсуждаются в разделе «Электробезопасность: системы и устройства».

Генерируйте электричество с помощью стержневого магнита! Откройте для себя физику, лежащую в основе этого явления, исследуя магниты и узнайте, как их можно использовать, чтобы зажечь лампочку.

Щелкните, чтобы загрузить симуляцию. Запускать на Java.

Сводка раздела

• Трансформаторы используют индукцию для преобразования напряжения из одного значения в другое.
• Для трансформатора напряжения на первичной и вторичной обмотках связаны соотношением

  [латекс] \ frac {{V} _ {\ text {s}}} {{V} _ {\ text {p}}} = \ frac {{N} _ {\ text {s}}} {{ N} _ {\ text {p}}} \\ [/ latex],

  , где V _p и V _s — это напряжения на первичной и вторичной обмотках, имеющих N _p и N _s витков.

• Токи I _p и I _s в первичной и вторичной обмотках связаны соотношением [латекс] \ frac {{I} _ {\ text {s}}} {{I} _ {\ текст {p}}} = \ frac {{N} _ {\ text {p}}} {{N} _ {\ text {s}}} \\ [/ latex].
• Повышающий трансформатор увеличивает напряжение и снижает ток, тогда как понижающий трансформатор снижает напряжение и увеличивает ток.

Концептуальные вопросы

1. Объясните, что вызывает физические вибрации трансформаторов с частотой, в два раза превышающей используемую мощность переменного тока.

Задачи и упражнения

1. Подключаемый трансформатор, показанный на рисунке 4, подает 9,00 В в систему видеоигр. (a) Сколько витков во вторичной обмотке, если ее входное напряжение составляет 120 В, а первичная обмотка имеет 400 витков? (б) Какой у него входной ток, когда его выход 1,30 А?

2. Американская путешественница в Новой Зеландии несет трансформатор для преобразования стандартных 240 В в Новой Зеландии в 120 В, чтобы она могла использовать в поездке небольшие электроприборы.а) Каково соотношение витков первичной и вторичной обмоток ее трансформатора? (б) Каково отношение входного тока к выходному? (c) Как новозеландец, путешествующий по Соединенным Штатам, мог использовать этот же трансформатор для питания своих устройств на 240 В от 120 В?

3. В кассетном магнитофоне используется подключаемый трансформатор для преобразования 120 В в 12,0 В с максимальным выходным током 200 мА. (а) Каков текущий ввод? б) Какая потребляемая мощность? (c) Является ли такое количество мощности приемлемым для небольшого прибора?

4.(а) Каково выходное напряжение трансформатора, используемого для аккумуляторных батарей фонарика, если его первичная обмотка имеет 500 витков, вторичная — 4 витка, а входное напряжение составляет 120 В? (b) Какой входной ток требуется для получения выходного сигнала 4,00 А? (c) Какая потребляемая мощность?

5. (a) Подключаемый трансформатор для портативного компьютера выдает 7,50 В и может обеспечивать максимальный ток 2,00 А. Каков максимальный входной ток, если входное напряжение составляет 240 В? Предположим 100% эффективность. (b) Если фактический КПД меньше 100%, потребуется ли входной ток больше или меньше? Объяснять.

6. Многоцелевой трансформатор имеет вторичную катушку с несколькими точками, в которых может быть снято напряжение, давая на выходе 5,60, 12,0 и 480 В. (a) Входное напряжение составляет 240 В на первичную катушку с 280 витками. Какое количество витков в частях вторичной обмотки используется для создания выходного напряжения? (b) Если максимальный входной ток составляет 5,00 А, каковы максимальные выходные токи (каждый из которых используется отдельно)?

7. Крупная электростанция вырабатывает электроэнергию напряжением 12,0 кВ.Его старый трансформатор когда-то преобразовывал напряжение до 335 кВ. Вторичная обмотка этого трансформатора заменяется, так что его выходная мощность может составлять 750 кВ для более эффективной передачи по пересеченной местности на модернизированных линиях электропередачи. (а) Каково соотношение оборотов в новой вторичной системе по сравнению со старой? (b) Каково отношение нового текущего выхода к старому (при 335 кВ) при той же мощности? (c) Если модернизированные линии передачи имеют одинаковое сопротивление, каково отношение потерь мощности в новых линиях к старым?

8.Если выходная мощность в предыдущей задаче составляет 1000 МВт, а сопротивление линии составляет 2,00 Ом, каковы были потери в старой и новой линии?

9. Неоправданные результаты Электроэнергия на 335 кВ переменного тока из линии электропередачи подается в первичную обмотку трансформатора. Отношение числа витков вторичной обмотки к числу витков первичной обмотки составляет N _s / N _p = 1000. (a) Какое напряжение индуцируется во вторичной обмотке? б) Что неразумного в этом результате? (c) Какое предположение или предпосылка ответственны?

10. Создайте свою проблему Рассмотрите двойной трансформатор, который будет использоваться для создания очень больших напряжений. Устройство состоит из двух этапов. Первый — это трансформатор, который выдает намного большее выходное напряжение, чем его входное. Выход первого трансформатора используется как вход для второго трансформатора, который дополнительно увеличивает напряжение. Постройте задачу, в которой вы вычисляете выходное напряжение последней ступени на основе входного напряжения первой ступени и количества витков или петель в обеих частях обоих трансформаторов (всего четыре катушки).Также рассчитайте максимальный выходной ток последней ступени на основе входного тока. Обсудите возможность потерь мощности в устройствах и их влияние на выходной ток и мощность.

Глоссарий

трансформатор:

Устройство, преобразующее напряжение из одного значения в другое с помощью индукции

уравнение трансформатора:

уравнение, показывающее, что отношение вторичного напряжения к первичному в трансформаторе равно отношению количества витков в их катушках; [латекс] \ frac {{V} _ {\ text {s}}} {{V} _ {\ text {p}}} = \ frac {{N} _ {\ text {s}}} {{N} _ {\ text {p}}} \\ [/ latex]

повышающий трансформатор:

трансформатор, повышающий напряжение

понижающий трансформатор:

трансформатор, понижающий напряжение

Избранные решения проблем и упражнения

1.(а) 30.0 (б) 9.75 × 10 ⁻² A

3. (а) 20,0 мА (б) 2,40 Вт (в) Да, такая мощность вполне разумна для небольшого прибора.

5. (a) 0,063 A (b) Требуется больший входной ток.

7. (а) 2,2 (б) 0,45 (в) 0,20, или 20,0%

9. (a) 335 МВ (b) слишком высокое, намного выше напряжения пробоя воздуха на разумных расстояниях (c) входное напряжение слишком высокое

Учебная программа по естествознанию в начальных и младших классах средней школы — Энциклопедия TIMSS 2015

Учебная программа по естествознанию в начальных и младших классах средней школы

Наука вместе с историей и географией является частью социального, экологического и научного образования (SESE) в учебной программе начальной школы в Ирландии. ⁹ Текущая учебная программа была официально внедрена в школах в 2003–2004 годах после соответствующего повышения квалификации учителей в предыдущем учебном году. Учебная программа по естествознанию направлена ​​на то, чтобы помочь детям развить базовые научные идеи и понимание биологических и физических аспектов мира, а также процессов, посредством которых они развивают эти знания и понимание. Учебная программа также направлена ​​на формирование позитивного отношения к науке и поощрение детей к изучению и оценке того, как наука и технологии влияют на их жизнь и окружающую среду.

Учебная программа начальной школы состоит из четырех уровней, каждый из которых охватывает два года начальной школы. Уровень 3, включающий в себя науку третьего и четвертого классов, является подходящим уровнем для участников TIMSS четвертого класса. В учебной программе есть раздел навыков и раздел содержания.

Учебная программа разработана для того, чтобы дать учащимся два ключевых типа навыков — научная работа и проектирование и изготовление — и отражает конструктивистский и коллективный подход. В учебной программе подчеркивается важность того, чтобы дети начинали с собственных идей и учились через взаимодействие с предметами и материалами и их одноклассниками.Дети «создают» новые знания и изучают научные концепции. Научная работа включает:

• Наблюдение и построение гипотез
• Прогнозирование
• Планирование и проведение расследований с упором на честное тестирование
• Запись и анализ результатов
• Обмен и обсуждение результатов
• Расширение мышления с учетом новых открытий

Проектирование и изготовление включает поиск практических решений проблем путем изучения и оценки повседневных предметов с точки зрения их функциональности, материалов, из которых они изготовлены, и их дизайна, а затем использования этой информации для планирования, проектирования, изготовления и оценки артефактов или моделей.Эти занятия предназначены для развития и развития творческих и творческих способностей детей.

Учебная программа состоит из четырех частей: живые существа, материалы, энергия и силы и экологическая осведомленность и забота. Эти нити, которые подразделяются на нити, очерчивают концепции и идеи, которые дети должны исследовать, работая с научной точки зрения, и участвуя в конструировании и изготовлении. Ожидается, что в третьем и четвертом классах дети ознакомятся со всеми блоками уровня 3.На Таблице 2 показаны пряди и единицы прядей для Уровня 3, а также приведены некоторые примеры того, что, как ожидается, дети будут изучать в рамках каждой единицы прядей.

Приложение 2: Краткое изложение учебной программы по естествознанию для уровня 3 (3-4 классы) и примеры навыков

В сентябре 2003 года была введена пересмотренная программа для получения аттестата младших курсов ¹⁰ (нижний уровень среднего образования).Курс является практическим, исследовательским, в котором особое внимание уделяется практическому участию студентов в обучении. Ожидается, что студенты будут развивать не только знания и понимание областей содержания, но и основные научные навыки, а также понимание и понимание науки. Учителям рекомендуется использовать различные методики обучения, которые позволяют учащимся работать с научной точки зрения и применять свои научные знания. Учебная программа младших классов средней школы состоит из трех основных разделов, каждый из которых разделен на три более подробные тематические области, как показано на Приложении 3.Хотя это и не обязательно, около 90 процентов учащихся младших классов средней школы изучают естественные науки в качестве предмета. Учебная программа предусматривает подходящую подготовку, но не является обязательным требованием для изучения одного или нескольких научных предметов в старших классах средней школы. Темы сопровождаются результатами обучения, которые отражают исследовательский и практический подход. Все студенты должны изучить три раздела программы либо на более высоком, либо на обычном уровне.

Приложение 3: Основные тематические области для младших классов средней школы Syllabus

В младших классах средней школы учащиеся учатся делать следующее:

• Использование научных знаний для превращения идей в форму для исследования и соответствующего планирования
• Определите объем и диапазон данных, которые необходимо собрать, а также методы, оборудование и материалы, которые будут использоваться
• Рассмотрите факторы, которые необходимо учитывать при сборе доказательств
• Провести наблюдения и измерения, записать данные, если необходимо.
• Критически рассматривать, оценивать и интерпретировать данные
• Четко и логично организовывать и представлять информацию, используя соответствующие научные термины и условности, а также используя, где это возможно, информационно-коммуникационные технологии (ИКТ)

Многие цели учебной программы достигаются с помощью методологий, поддерживающих открытие через исследование.Учащимся предоставляется достаточно времени для активного участия в обучении с целью развития навыков научной обработки, лучшего понимания основных научных концепций и навыков более высокого порядка, связанных с решением проблем и применением знаний в новых контекстах. Учебная программа по естествознанию дает учащимся возможность развить навыки мышления и принятия решений, которые можно использовать при решении проблем. Такие навыки можно развить с помощью систематического подхода к исследованию, который является особенностью науки, и их можно легко перенести в другие ненаучные ситуации и контексты.

Учителям рекомендуется использовать подход общества науки и технологий (STS) в своих научных инструкциях, чтобы облегчить понимание учащимися науки и связать обучение с повседневными контекстами и проблемами. Хотя в учебной программе нет явно предписанного содержания STS, многие подтемы и связанные с ними результаты обучения требуют соответствующих ссылок на повседневный опыт (в таких областях, как здоровье, диета, человеческое развитие и экология) и на повседневные примеры применения науки. как в биотехнологии, промышленности, медицине, энергосбережении и электронике.Соответствующие ссылки на работы выдающихся ученых и современные научные разработки позволяют перейти от школьного обучения к общему опыту, делая научные явления более значимыми для учащихся.

Примечание: В рамках продолжающейся реформы младшего цикла (неполного среднего) образования разрабатывается новая учебная программа по естествознанию и спецификация оценивания для внедрения в школах в сентябре 2016 года. Предлагаемая спецификация для младшего цикла естественных наук ориентирована на развитие учащихся. знание науки и о ней через объединяющую нить, природу науки, и четыре контекстуальных нити: физический мир, химический мир, биологический мир и землю и космос.

‘; numbers.forEach (function (val, index) { if ($. isNumeric (val)) {// Ссылка число = val; if (ref_var [number-1]! = undefined) { div_text + = ‘

‘; } } else {// Это сноска if (foot_var [val]! = undefined) { footnote_obj = foot_var [val]; div_text + = ‘

Класс физики

Пробовали ли вы в последнее время Concept Builder? Вам следует. Этот постоянно пополняющийся набор интеллектуально богатых упражнений сосредоточит внимание учащихся на отдельных целях обучения.Этот раздел, наполненный интерактивными элементами, является идеальным инструментом для того, чтобы заставить учащихся задуматься о значении понятий. Идеально подходит для студентов и классных комнат 1: 1, использующих iPad, Chromebook и тому подобное. А для типов химии мы даже начали выращивать несколько построителей концепций химии.

Minds On Physics — Версия 5 — наше новейшее творение. Эта HTML5-версия Minds On Physics заменяет наши версии для приложений и устаревшие версии. Опираясь на большой банк тщательно составленных вопросов, Minds On Physics стремится улучшить представления студентов о физике.«MOP» сочетает в себе модули интерактивных вопросов с подробной справочной системой по конкретным вопросам, чтобы вовлечь учащихся в упражнения на мышление, размышление и обучение. Версия 5 — это наша лучшая пока что версия Minds On Physics. Существует полнофункциональная бесплатная версия и платная версия, которая легко интегрируется с нашей системой отслеживания задач и предлагает некоторые довольно заманчивые функции.

Предлагая проблемы, ответы и решения, Calculator Pad предлагает начинающим студентам-физикам возможность пройти самую страшную часть курса физики — задачи по физике со словами.Каждая проблема сопровождается скрытым ответом, который можно раскрыть, нажав кнопку. И каждое решение с аудиогидом не только объясняет, как решить конкретную проблему, но и описывает привычки, которые можно использовать для решения любой проблемы.

Набор страниц с вопросами и ответами / объяснениями, которые служат в качестве обзоров или практических занятий. Каждый обзор дополняет главу из Учебного пособия по физике.

Разнообразные страницы вопросов и ответов, посвященные конкретным концепциям и навыкам.Темы варьируются от графического анализа движения и рисования диаграмм свободных тел до обсуждения векторов и сложения векторов.

Обращение ко всем ученикам старших классов: вы доверили Классу физики подготовиться к экзамену по физике. Почему бы не доверить нам помощь в подготовке к самому важному экзамену года — тесту ACT? Вот так. Позвольте TPC помочь вам с ACT.

Определение первичного по Merriam-Webster

d : или относящиеся к сельскому, лесному и добывающему хозяйству или их продукции

е : выражение настоящего или будущего времени первичное время

ж : из трех или четырех степеней стресса, признанных большинством лингвистов, относящихся к ним или являющихся их сильнейшими. первый слог баскетбол несет основное ударение

б : не производное от другого цвета, запаха или вкуса

c : подготовка к чему-то еще в продолжающемся процессе первичная инструкция

d : начальной школы или относящейся к ней начальное образование

е : первичных выборов или связанных с ними основной кандидат

ж : , принадлежащие к первой группе или отряду в последовательных подразделениях, комбинациях или ответвлениях первичные нервы

г : непосредственно из руд первичные металлы

час : , относящаяся к аминокислотной последовательности в белках или являющаяся ее аминокислотной последовательностью. первичная структура белка

4 : в результате замещения одного из двух или более атомов или групп в молекуле первичный амин особенно : представляет собой атом углерода, связанный только с одним другим атомом углерода, или характеризуется им.

5 : , относящиеся к первичной меристеме, вовлекающие ее или производные от нее. первичный рост ткани

6 : , относящиеся к производству органических веществ зелеными растениями или связанные с ними первичная продуктивность

7 : оказание первичной медико-санитарной помощи первичный врач

2 : небесное тело, вокруг которого вращаются одно или несколько других небесных тел. особенно : более массивный и обычно более яркий компонент двойной звездной системы.

б : ощущение основных цветов

б : выборы, на которых квалифицированные избиратели выдвигают или выражают предпочтение определенного кандидата или группы кандидатов на политическую должность, выбирают должностных лиц партии или выбирают делегатов для партийного съезда.

— также называется первичная обмотка

6 Стандартов научного содержания | Национальные стандарты естественнонаучного образования

Duschl, R.А., Р.Дж. Гамильтон, ред. 1992. Философия науки, когнитивной психологии и педагогической теории и практики. Олбани, штат Нью-Йорк: Государственный университет Нью-Йорка.

Глейзер, Р. 1984. Образование и мышление: роль знания. Американский психолог, 39 (2): 93-104.

Гросслайт, Л., К. Унгер, Э. Джей и К. Смит. 1991. Понимание моделей и их использование в науке: концепции учащихся средних и старших классов и экспертов. [Специальный выпуск] Journal of Research in Science Teaching, 28 (9): 799-822.

Hewson, P.W., and N.R. Торли. 1989. Условия концептуального изменения в классе. Международный журнал естественнонаучного образования, 11 (5): 541-553.

Ходсон, Д. 1992. Оценка практической работы: некоторые соображения по философии науки. Наука и образование, 1 (2): 115-134.

Ходсон Д. 1985. Философия науки, естествознания и естественнонаучного образования. Исследования в области естественнонаучного образования, 12: 25-57.

Кайл, В. С. Младший, 1980.Различие между исследованием и научным исследованием и почему старшеклассники должны осознавать это различие. Журнал исследований в области преподавания естественных наук, 17 (2): 123-130.

Лонгино, Е. 1990. Наука как социальное знание: ценности и объективность в научных исследованиях. Принстон, Нью-Джерси: Издательство Принстонского университета.

Mayer, W.V., ed. 1978. Справочник учителя биологии BSCS, третье издание. Нью-Йорк: Джон Уайли и сыновья.

Metz, K.E. 1991 г.Развитие объяснения: Постепенные и фундаментальные изменения в детских знаниях физики. [Специальный выпуск] Journal of Research in Science Teaching, 28 (9): 785-797.

NRC (Национальный исследовательский совет). 1988. Повышение показателей качества естественнонаучного и математического образования в классах K-12. Р.Дж. Murnane, S.A. Raizen, ред. Вашингтон, округ Колумбия: Национальная академия прессы.

NSRC (Национальный центр научных ресурсов). 1996. Ресурсы для преподавания естественных наук в начальной школе.Вашингтон, округ Колумбия: Национальная академия прессы.

Ohlsson, S. 1992. Познавательные навыки формулировки теории: забытый аспект научного образования. Наука и образование, 1 (2): 181-192.

Рот, К.Дж. 1989. Естественнонаучное образование: недостаточно «делать» или «относиться». Американский педагог, 13 (4): 16-22; 46-48.

Резерфорд, Ф.Дж. 1964. Роль исследования в преподавании естественных наук. Журнал исследований в области преподавания естественных наук, 2: 80-84.

Шаубле, Л., Л. Клопфер, К. Рагхаван. 1991. Переход студентов от инженерной модели к научной модели экспериментов. [Специальный выпуск] Journal of Research in Science Teaching, 28 (9): 859-882.

Schwab, J.J. 1958. Преподавание науки как исследования. Бюллетень ученых-атомщиков, 14: 374-379.

Schwab, J.J. 1964. Преподавание науки как исследования. В «Преподавании науки» Дж. Дж. Шваб и П.Ф. Брандвейн, ред .: 3-103. Кембридж, Массачусетс: Издательство Гарвардского университета.

Welch, W.W., L.E. Клопфер, Г.С.Айкенхед и Дж. Робинсон. 1981. Роль исследования в естественно-научном образовании: анализ и рекомендации. Научное образование, 65 (1): 33-50.

AAAS (Американская ассоциация развития науки). 1993. Контрольные показатели научной грамотности. Нью-Йорк: Издательство Оксфордского университета.

AAAS (Американская ассоциация развития науки).1989. Наука для всех американцев: отчет проекта 2061 по целям грамотности в науке, математике и технологиях. Вашингтон, округ Колумбия: AAAS.

Преобразование энергии | технология | Britannica

Энергия обычно и наиболее просто определяется как эквивалент или способность выполнять работу. Само слово происходит от греческого energeia: en , «в»; эргон , «рабочий». Энергия может быть связана с материальным телом, как в спиральной пружине или движущемся объекте, или она может быть независимой от материи, как свет и другое электромагнитное излучение, пересекающее вакуум.Энергия в системе может быть доступна для использования только частично. Измерения энергии — это измерения работы, которые в классической механике формально определяются как произведение массы ( м ) и квадрата отношения длины ( l ) ко времени ( t ): мл ² / т ² . Это означает, что чем больше масса или расстояние, на которое он перемещается, или чем меньше времени требуется для перемещения массы, тем больше будет проделанная работа или больше затраченной энергии.

Развитие концепции энергии

Термин энергия не применялся как мера способности выполнять работу до довольно позднего периода развития науки механики. Действительно, развитие классической механики может осуществляться без обращения к концепции энергии. Однако идея энергии восходит к Галилею 17 века. Он признал, что когда груз поднимается с помощью системы шкивов, прилагаемая сила, умноженная на расстояние, через которое эта сила должна быть приложена (произведение, называемое по определению работой), остается постоянной, даже если любой из этих факторов может меняться.Концепция vis viva, или живой силы, величины, прямо пропорциональной произведению массы и квадрата скорости, была введена в 17 веке. В 19 веке термин «энергия» применялся к концепции vis viva.

Первый закон движения Исаака Ньютона признает, что сила связана с ускорением массы. Почти неизбежно, что тогда интерес представляет интегральный эффект силы, действующей на массу. Конечно, есть два вида интеграла силы, действующей на массу, которые можно определить.Один — это интеграл силы, действующей вдоль линии действия силы, или пространственный интеграл силы; другой — интеграл силы за время ее действия на массу или временной интеграл.

Оценка пространственного интеграла приводит к величине, которая теперь используется для представления изменения кинетической энергии массы в результате действия силы и составляет лишь половину от vis viva. С другой стороны, временное интегрирование приводит к оценке изменения количества движения массы в результате действия силы.Некоторое время велись споры о том, какая интеграция привела к надлежащей мере силы: немецкий философ-ученый Готфрид Вильгельм Лейбниц утверждал, что пространственный интеграл является единственной истинной мерой, в то время как ранее французский философ и математик Рене Декарт защищал временную шкалу. интеграл. В конце концов, в XVIII веке физик Жан д’Аламбер из Франции показал правомерность обоих подходов к измерению силы, действующей на массу, и что полемика велась только по номенклатуре.

Итак, сила связана с ускорением массы; кинетическая энергия или энергия, возникающая в результате движения, является результатом пространственной интеграции силы, действующей на массу; импульс — это результат интегрирования во времени силы, действующей на массу; а энергия — это мера способности выполнять работу. Можно добавить, что мощность определяется как скорость передачи энергии (к массе, когда на нее действует сила, или по линиям передачи от электрического генератора к потребителю).

Сохранение энергии (см. Ниже) было независимо признано многими учеными в первой половине XIX века. Сохранение энергии как кинетической, потенциальной и упругой энергии в замкнутой системе в предположении отсутствия трения оказалось действенным и полезным инструментом. Кроме того, при более внимательном рассмотрении обнаруживается, что трение, которое служит ограничением классической механики, выражается в выделении тепла, будь то на контактных поверхностях блока, скользящего по плоскости, или в объеме жидкости, в которой весло вращается или любое другое выражение «трение».«Тепло было определено как форма энергии Германом фон Гельмгольцем из Германии и Джеймсом Прескоттом Джоулем из Англии в 1840-х годах. Джоуль также экспериментально доказал связь между механической и тепловой энергией в это время. Поскольку возникла необходимость в более подробном описании различных процессов в природе, подход заключался в поиске рациональных теорий или моделей процессов, которые позволяют количественно измерить изменение энергии в процессе, а затем включить его и соответствующий ему энергетический баланс в систему. представляет интерес, при условии общей потребности в сохранении энергии.Этот подход работал для химической энергии в молекулах топлива и окислителя, выделяющейся при их сгорании в двигателе, для производства тепловой энергии, которая впоследствии преобразуется в механическую энергию для работы машины; он также работал над преобразованием ядерной массы в энергию в процессах ядерного синтеза и ядерного деления.

Границы | Эксперимент по конверсии мюонов COMET в J-PARC

1. Введение

Открытие бозона Хиггса на LHC в 2012 году обеспечило успешную демонстрацию Стандартной модели (СМ) физики элементарных частиц.Однако это не отвечает на нерешенные вопросы в физике элементарных частиц, например, о вселенной с преобладанием материи, темной материи, отсутствии квантовой гравитации и массе нейтрино. Осцилляция нейтрино, обнаруженная во многих нейтринных экспериментах в течение 1990-х годов и все еще активно исследуемая, является важной мотивацией, которая заставляет расширять СМ. Расширение СМ с массивным нейтрино, которое позволяет осцилляции нейтрино и другие теории, выходящие за рамки Стандартной модели (BSM), проливает свет на нарушение аромата заряженного лептона (cLFV).Поскольку лептонное число и лептонный аромат являются сохраняемыми величинами в SM, наблюдение за процессом cLFV даст ключ к разгадке теорий BSM. Процесс cLFV мюонных и тау-лептонов изучается в течение нескольких десятилетий, и эксперимент COMET является одним из самых последних экспериментов по поиску мюонных cLFV.

Эксперимент COMET (когерентный переход мюона в электрон, J-PARC E21) [1] направлен на поиск безнейтринного процесса конверсии мюона в области ядра, превращения μ− e , который является одним из наиболее важных процессов cLFV.Эксперимент COMET проводится в Японском исследовательском комплексе ускорителей протонов (J-PARC) в Токай, Япония. Сгруппированный пучок протонов с энергией 8 ГэВ из главного кольца (MR) J-PARC будет доставлен в экспериментальный зал ядерной физики (зал NP), где установлены установка COMET и детекторы. Эксперимент COMET будет проводиться в два этапа. На первом этапе (Фаза-I) будет использоваться транспортный соленоид половинной длины и детектор с дрейфовой камерой для измерения сигнала преобразования μ− e до O (10 ⁻¹⁵ ).Программа измерения фона будет также выполнена на канале пучка Фазы-I, включая исследование прототипа детектора для эксперимента Фазы-II. На втором этапе (Фаза-II) будут использоваться полноразмерные транспортные соленоиды С-образной формы, соленоид спектрометра и трубчатые детекторы для достижения уровня O (10 ⁻¹⁷ ) при измерении преобразования μ− e . Эта чувствительность мишени в 100 или 10 000 раз лучше, чем текущий предел экспериментального мира, установленный в эксперименте SINDRUM-II [2].

В этом обзоре введение в теоретические и экспериментальные аспекты cLFV рассматривается в разделе 2, конструкция и состояние оборудования и детекторов эксперимента COMET Phase-I описаны в разделе 3, его физические возможности, в разделе 4. конструкция детектора Фазы-II и программа измерения фона описаны в разделе 5.

2. Эксперимент с нарушением вкуса заряженного лептона

2.1. Физика нарушения вкуса заряженного лептона

В СМ все лептонные числа являются сохраняющимися величинами, и их сумма, полное лептонное число, также сохраняется.Наблюдение осцилляций нейтрино приводит к минимальному расширению СМ, так что нейтрино теперь является массивной (но очень легкой) частицей. Осцилляция нейтрино описывается матрицей PMNS (Понтекорво-Маки-Накагава-Саката), точно так же, как перемешивание кварков, описываемое матрицей CKM (Кабиббо-Кобаяши-Маскава). Это приводит к нарушению нейтрального лептонного аромата.

Хотя осцилляция нейтрино не нарушает симметрию лептонного числа, она включает cLFV, которая изображена на рисунке 1A.Осцилляция нейтрино, происходящая на уровне петли, вызывает радиационный распад заряженного лептона на другой аромат. С другой стороны, многие теории BSM, мотивированные нерешенными вопросами СМ, ​​предсказывают cLFV независимо от минимального расширения СМ с массивными и осциллирующими нейтрино. Расчетные показатели cLFV в теориях BSM значительно больше, чем оценки в SM. Следовательно, наблюдение за процессом cLFV может быть прямой подписью теорий BSM. По сравнению с тау-лептоном, мюон является оптимальной частицей для поиска процесса cLFV из-за его гораздо более длительного времени жизни, легкости образования и небольшой массы, которая отключает каналы распада с адронами.В случае простоты производства эксперименты с B-фабрикой регистрировали образование 1 ~ 10 пар тау-лептонов в секунду, в то время как будущие эксперименты по преобразованию мюонов будут генерировать 10 ¹³ ~ 10 ¹⁴ мюонов в секунду. Следовательно, достижимая чувствительность мюонного cLFV намного ниже, чем для случая тау-лептона.

Рисунок 1 . Диаграммы процессов cLFV, (A) для μ + → e + γ и (B – F) для μ− + N → e — + N . (A) SM процесс из-за массивных нейтрино μ + → e + γ, (B) SM процесс из-за массивного нейтрино μ- + N → e — + N , (C) SUSY-процесс в циклической диаграмме, (D) процесс обмена векторными бозонами и (E) s-канальный процесс обмена скалярными бозонами, и (F) SUSY-процесс на прямоугольной диаграмме μ− + N → e — + N .

Безнейтринный процесс преобразования мюона в электрон в мюонном атоме, μ− + N → e — + N , является одним из наиболее важных процессов cLFV мюона, наряду с μ + → e + γ и μ ⁺ → e ⁺ e ^— e ⁺ процессов.Схема преобразования μ — e в минимально расширенном SM показана на рисунке 1B. Сравнивая распад μ + → e + γ (изображенный на рисунке 1A) с преобразованием μ− e , фотон можно наблюдать в процессе μ + → e + γ. Однако при преобразовании μ− e фотон представляет собой виртуальный фотон, взаимодействующий с ядром. В теориях BSM, например теории суперсимметрии (SUSY), и аналогично с μ + → e + γ, преобразование μ− e может происходить через аналогичную петлевую диаграмму, которая не включает массивное нейтрино, а заряженную SUSY-частицу с фотонное взаимодействие с кварками, как показано на рисунке 1C.

Несмотря на эту небольшую разницу между преобразованием μ + → e + γ и μ− e , два процесса cLFV дополняют друг друга, поскольку преобразование μ− e может происходить через другой процесс. μ + → e + γ не будет чувствительным в случае процесса cLFV через гипотетическое прямое лептон-кварковое взаимодействие (Рисунки 1D – F). Это ясно при написании эффективного лагранжиана процесса преобразования μ− e [3]:

Члены Cγμe и Cℓℓqqμe описывают эффективные связи, а μ, e , u и d описывают поля, связанные с представляющими частицами. Вводятся два свободных параметра: Λ, описывающий энергетический масштаб физики cLFV, и κ, описывающий относительную силу двух членов. Обратите внимание, что это уравнение описывает эффективный лагранжиан, фокусируясь на двух возможных доминирующих процессах, который выводится из полного лагранжиана, включая все возможные процессы (показанные в [4] и [5]).В этом лагранжиане первый член описывает электромагнитное дипольное взаимодействие фотона, описываемое тензором напряженности поля F ^μν . Второй член описывает контактное взаимодействие двух лептонов и двух кварков. В то время как μ + → e + γ существует и процесс происходит через электромагнитное дипольное взаимодействие (κ ≪ 1, первый случай преобладающего члена), то это предполагает, что процесс преобразования μ− e должен существовать и наблюдаться. С другой стороны, существование преобразования μ− e не обязательно означает, что должно существовать μ + → e + γ, поскольку преобразование μ− e может происходить через контактное взаимодействие (κ ≫ 1, второе термин доминирующий падеж).Эта разница между преобразованием μ + → e + γ и μ− e приводит к разной чувствительности к теориям BSM, в зависимости от типов взаимодействия cLFV (дипольное или контактное взаимодействия). Чтобы понять теории BSM, важно сравнить результаты между экспериментами по преобразованию μ + → e + γ и μ− e , а также между μ ⁺ → e ⁺ e ^— e ⁺ и μ− e эксперименты по преобразованию из-за этой разной чувствительности к физической модели cLFV.Последний результат μ ⁺ → e ⁺ e ^— e ⁺ и строящийся эксперимент нового поколения (эксперимент Mu3e) кратко изложены в [6] и [7], соответственно. . Также важно повторить эксперимент по преобразованию μ− e с другим мюонным атомом, поскольку ожидаемая скорость преобразования μ− e варьируется в зависимости от хиральной структуры процесса cLFV, которая снова меняется в зависимости от материала мюонного атома.См. Kitano et al. [4] для подробного обсуждения.

Многие теории BSM предлагают процесс преобразования μ− e . На рисунке 1D показан процесс обмена векторными бозонами на уровне дерева, где Z ′ обозначает массивный нейтральный векторный бозон. Z ′ ожидается, например, в теориях великого объединения (GUT) [8] с качелями типа III, моделях дополнительных калибровочных групп [9], цветных моделях [10], моделях дополнительных измерений [11, 12] , или маленькие модели Хиггса с T-четностью [13].Подобное взаимодействие на уровне дерева через обмен скалярными бозонами также возможно, например, когда SUSY-частица нарушает R-четность [14, 15]. В моделях с лептокварками лептон и кварк напрямую взаимодействуют, что приводит к диаграмме s-канала, показанной на рисунке 1E. В этом случае скалярная частица-медиатор несет вместе лептон и адронное число [16, 17].

Процесс cLFV более высокого порядка, включающий взаимодействие типа петли или коробки, более распространен в теориях BSM. Частицей-посредником может быть фотон, Z, Хиггс или любая другая новая частица.Простейшим примером является SUSY-модель с сохранением R-четности [18–20], показанная на рисунках 1C, F для петлевой и блочной диаграмм соответственно. Другой возможный сценарий включает расширение СМ стерильным нейтрино [18, 21, 22], механизм качелей типа II [23] или лево-правые симметричные модели [24].

Какие бы теории BSM ни вспоминали, ожидаемая скорость преобразования μ− e значительно выше, чем процесс SM, потому что процесс SM требует осцилляций нейтрино, скорость которых чрезвычайно мала из-за очень малой массы нейтрино и большой массы посредников. W-бозон.Другими словами, SM-процесс преобразования μ− e подавляется GFmν2 из условия унитарности матрицы PMNS в механизме GIM, где G _F и m _ν — константа Ферми и масса нейтрино. , соответственно. Скорость преобразования μ− e нормирована на захват мюона:

и его оценка в SM дает менее O (10 ⁻⁵⁰ ). Для сравнения, процесс BSM cLFV может быть усилен в зависимости от масс и взаимодействий опосредующих частиц BSM, что может привести к наблюдаемой скорости процесса cLFV в современных экспериментах по физике элементарных частиц.

2.2. Эксперименты с нарушением вкуса заряженного лептона

Когда импульс отрицательного мюона (μ ^— ) внутри материала достаточно низок, он останавливается внутри материала из-за кулоновского поля атомов и формирует мюонный атом, вращаясь вокруг ядра. Для остановленного мюона возможны три процесса: (1) мюон может распадаться на орбите (Decay-In-Orbit: DIO) без взаимодействия с ядром; (2) мюон может взаимодействовать с протоном ядра через заряженный ток, что приводит к возбуждению мюонного атома; и (3) мюон может распадаться посредством процесса cLFV, который является целевым процессом эксперимента по конверсии μ — и .

С кинематической точки зрения, μ + → e + γ имеют две частицы в конечном состоянии, которые делят массу мюона ровно наполовину. В процессе преобразования μ− e частица в конечном состоянии представляет собой только один электрон, который несет большую часть энергии массы мюона. Следовательно, сигнал эксперимента по преобразованию μ− e — это моноэнергетический электрон вокруг массы мюона. С другой стороны, хвостовая часть спектра DIO простирается почти до массы мюона, поэтому DIO является несводимым фоном физики.Большинство других фоновых событий происходит от луча. См. Подробности в разделе 4.

Исторически эксперименты с cLFV начались в начале 1960-х годов. В случае μ + → e + γ эксперимент MEG [28] обеспечивает текущий лучший предел [29, 30], B (μ ⁺ → e ⁺ γ) <4,2 × 10 ^-13 (90% CL). Для преобразования μ− e наилучший верхний предел, Rμe (Au) <7 × 10-13 (90% C.L.), дается экспериментом SINDRUM-II [2].Эксперимент COMET [1] в J-PARC, Япония, и эксперимент Mu2e [31] в Fermilab - это эксперименты следующего поколения по измерениям преобразования μ− e . Самая большая разница с SINDRUM-II и COMET или Mu2e заключается в применении изогнутых соленоидов во всех линиях пучка мюонов. Это увеличивает выход транспорта мюонов, а также обеспечивает метод подавления фоновых частиц пучка. Эксперимент COMET Phase-I нацелен на достижение промежуточного уровня чувствительности между COMET Phase-II и SINDRUM-II.COMET Phase-II и Mu2e похожи во многих аспектах, однако они используют разные формы соленоида для переноса мюонов. COMET Phase-II фокусируется на использовании мощного протонного пучка и эффективного подавления DIO, в то время как Mu2e фокусируется на более высокой эффективности детектора. В таблице 1 сравниваются важные параметры этих экспериментов.

Таблица 1 . Сравнение экспериментов по преобразованию μ− e .

3. Детектор и установка COMET

Пучки мюонов образуются при распаде пионов, возникающих при столкновении пучка протонов с мишенью.В эксперименте COMET пучок протонов от J-PARC MR инжектируется в протонную мишень для генерации пионов. Пионы собираются соленоидальным полем и транспортируются к детектору во время его распада на мюоны. Мюоны, доставляемые в секцию детектора, останавливаются на мюонной мишени внутри детектора, и когда происходит cLFV, из мюонной мишени испускается единственный моноэнергетический электрон от мюонного распада, который измеряется окружающими детекторами. Экспериментальная установка COMET Phase-I, включая протонную мишень, соленоид, транспортирующий мюоны, и детектор показаны на рисунке 2.Справа налево показаны система соленоидов образования и захвата пионов, система соленоидов транспорта мюонов и система детекторов. Пучок протонов входит в систему соленоида захвата пионов под углом от верхнего левого направления протонной мишени, которое изображено красной линией в центре соленоида захвата пионов. Мюонная транспортная соленоидная система обеспечивает соленоидное поле и дипольное поле, так что произведенный пион и его распад на мюон транспортируются в детекторную систему.

Рисунок 2 .Схема расположения детекторов и лучевых каналов эксперимента COMET Phase-I. Показаны система соленоидов захвата пионов с протонной мишенью в центре (правая часть), система соленоидов транспорта мюонов (средняя часть) и детекторная система CyDET с мишенью, останавливающей мюоны в центре (левая часть). См. Текст для более подробного описания.

Две отдельные детекторные системы находятся в стадии разработки для эксперимента COMET Phase-I. Для измерения преобразования μ− e будет использоваться детекторная система CyDET (Cylindrical DETector system).CyDET состоит из цилиндрической дрейфовой камеры и сцинтилляционных счетчиков. Мишень, останавливающая мюон, находится в центре цилиндрической дрейфовой камеры, которая изображена серым цилиндром на рисунке 2. После эксперимента планируется специальная программа измерения пучка для прямой оценки связанного с пучком фона. Эта оценка фона будет применима для настройки моделирования и оценки чувствительности эксперимента Фазы-II. Детектор для программы измерения луча называется StrECAL, подробности которого будут обсуждаться в разделе 5.Различие в системе соленоидов является причиной выбора другой системы извещателей для Фазы-I и Фазы-II. На Фазе II перед детекторной системой будут установлены полноразмерные соленоиды для переноса пионов и мюонов и изогнутый соленоид для переноса электронов. Эта дополнительная соленоидная система эффективно фильтрует частицы с более низким и более высоким импульсом, за исключением импульса электрона в результате преобразования мюона. Это значительно уменьшает фон луча. Несмотря на то, что в фазе II используется луч мощностью 56 кВт, который в 17,5 раз мощнее, чем в фазе I, такая фильтрация импульса значительно снижает частоту попаданий, когда система детектора строу может справиться с этим.Напротив, даже при использовании пучка мощностью 3,2 кВт в Фазе-I ожидается высокая частота попаданий из-за частиц пучка. Цилиндрическая дрейфовая камера используется для того, чтобы частицы пучка проходили через центральное отверстие, когда они не попадают в цель, останавливающую мюоны, и не влияют на детектор.

3.1. Ускоритель для эксперимента COMET

В таблице 2 приведены технические характеристики протонного пучка COMET. В эксперименте COMET в качестве первичного пучка используются импульсные протоны. Захваченные мюоны в материалах мишени, останавливающих мюоны, распадаются с конечным временем жизни порядка 1μ с , в то время как фоновые события, происходящие от распадов пионов или других частиц пучка, не структурированы во времени.Импульсный мюонный пучок необходим, чтобы избежать этих связанных с пучком фонов из события захвата мюонов, путем применения заранее определенного временного окна измерения между протонными импульсами. Учитывая время жизни захваченного мюона, требуется расстояние между сгустками 1 ~ 2μ с . Паразитные частицы луча во время разделения сгустков создают фоновые события во временном окне измерения, поэтому частицы между лучами должны подавляться. Это межлучевая экстинкция — одно из наиболее важных требований эксперимента COMET, определяемое количеством рассеянных межлучевых частиц (в основном протонов), деленным на количество протонов в сгустке.Требование к этому фактору экстинкции в эксперименте COMET составляет O (10 ⁻⁹ ), где измерения экстинкции на линии вывода протонов для экспериментов с нейтрино с длинной базой («Быстрая экстракция») достигли O (10 ^{). −11} ).

Таблица 2 . Характеристики протонного пучка в эксперименте COMET Phase-I.

Протонный пучок 8 ГэВ для эксперимента COMET выводится из MR J-PARC в зал NP, который заполняется первичными протонами LINAC, за которым следует синхротрон на 3 ГэВ (RCS: Rapid Circulating Synchrotron).Энергия пучка выбирается таким образом, чтобы образование антипротонов было минимальным во время столкновения с протонной мишенью, а гашение межпучкового протона было максимальным. Производство антипротонов быстро увеличивается при энергии протонов выше 10 ГэВ. Пучок протонов с более низкой энергией легче отклонить, чтобы получить луч с более высокой экстинкцией. Разработан специальный метод впрыска пучка от RCS до MR («Single Bunch Kicking»), который увеличивает время впрыска до 600 нс, чтобы избежать выбивания пустого ведра. Для вывода луча из MR в NP-холл, ВЧ-напряжение поддерживается на высоком уровне, чтобы сохранить структуру импульса и избежать ухудшения коэффициента экстинкции («Медленное сгруппированное извлечение»).Испытания на ускорителе показали, что добиться угасания 10 ⁻¹² возможно при поддержании ВЧ напряжения 255 кВ.

Номер гармоники MR равен девяти, что означает, что девять пучков пучков могут циркулировать MR одновременно. Однако не все ковши балок заполнены, чтобы сохранить фиксированное расстояние между пучками, которое требуется в эксперименте COMET. Заполнение трех ведер из девяти ведер (одно заполненное ведро и два последующих пустых ведра) дает интервал протонных импульсов 1,75 мкм с , или заполнение четырех ведер с четным порядком дает только 1.17 μ с шаг протонного импульса. Обе схемы заполнения удовлетворяют требованиям импульса пучка, однако интервал 1,17 мкм с благоприятен для доставки большего количества протонов, а интервал 1,75 мкм с является благоприятным в более длинном временном окне измерения. Схема разнесения 1,17 мкм с показана на рисунке 3 вместе с обзором средства J-PARC.

Рисунок 3 . Объект J-PARC. Линии пучка первичного драйвера протонов LINAC и 3 ГэВ RCS показаны красным.MR и соответствующие лучи в зал NP, где находится эксперимент COMET («экспериментальная установка для адронов» в правом нижнем углу), показаны желтым цветом. Обратите внимание, что максимальная энергия накопительного пучка MR составляет 50 ГэВ, в то время как в эксперименте COMET будет использоваться пучок 8 ГэВ. Заштрихованные и пустые зеленые кружки вокруг каналов MR и RCS — заполненные и пустые протонные бакеты соответственно. Как написано в тексте, не все ведра заполнены, чтобы поддерживать требуемый интервал между сгустками между импульсами протонов. Фотография предоставлена ​​J-PARC.

3.2. Протонный луч

Эксперимент COMET построен в зале NP, вместе с новым каналом луча, названным B-line, который находится в стадии строительства. Существующий лучевой канал (A-линия) от MR обслуживает различные адронные эксперименты в зале NP. Линия B разделена на две линии пучка, одна для эксперимента с высоким импульсом 30 ГэВ, а другая для эксперимента COMET. Во время стандартного бега с большим импульсом лучи A и B разделяются в соотношении 10 000: 1. В низкоимпульсном режиме для COMET весь пучок направляется на B-линию.Чтобы обеспечить такое совместное использование луча, магнит Ламбертсона и два последующих магнита с перегородкой сконфигурированы на ответвлении линий A и B.

Специальный детектор контроля протонного пучка будет установлен в конце линии протонного пучка перед соленоидной системой COMET. Цели этого детектора: (1) контролировать поглощение луча, чтобы отклонить данные с плохим поглощением; и (2) контроль положения луча во избежание смещения луча. Поскольку контролирующий детектор будет расположен внутри фланца линии луча, соединяющего линию протонного луча с соленоидной системой COMET, ожидается высокая плотность энергии до 10 ¹⁶ / см ² .Кроме того, для измерения временной структуры луча для измерения ослабления требуется быстрый отклик и сбор заряда на уровне около 10 нс. Детектор, использующий CVD-алмаз (химическое осаждение из паровой фазы), показал хорошие характеристики в ходе испытаний и сейчас находится в стадии разработки.

Доставленные протоны попадают в цель и генерируют пионы. Протонная мишень находится внутри системы соленоидов захвата, обеспечивающей соленоидальное магнитное поле 5 Тл. Напряженность поля снижается до 3 Тл на входе соленоида транспорта пионов и мюонов.В качестве материала протонной мишени для фазы I и фазы II будут использоваться графит или вольфрам соответственно. Хотя вольфрамовая мишень будет производить больше пионов из-за большей атомной массы, она будет тщательно спроектирована, включая метод водяного (или другого хладагента) охлаждения, чтобы справиться с высокой температурой. По результатам моделирования, средний импульс пионов, направленных вперед (в направлении протонного пучка), оценивается примерно в 200–400 МэВ / c, тогда как импульс обратных пионов составляет около 150 МэВ / c. Также обнаружено, что много пионов с ГэВ генерируется в прямых пионах, когда выход пионов с низким импульсом одинаков для обратных и прямых пионов.Пионы с большим импульсом не являются предпочтительными, потому что они распадаются на мюоны с высоким импульсом, которые не теряют достаточной энергии в тонкой мишени, останавливающей мюон, и не останавливаются на этом. Кроме того, более длительное время жизни пионов с большим импульсом приведет к распадам пионов внутри соленоида детектора, которые станут фоном. Поэтому в эксперименте COMET собираются пионы, направляющие назад. Протонная мишень, разработанная для эксперимента Фазы-I, имеет радиус 13 мм и длину 700 мм с графитовым материалом, который разработан таким образом, чтобы ее можно было заменить в эксперименте Фазы-II на вольфрамовую мишень.

3.3. Линия пучков пионов и мюонов

Пионы, генерируемые на протонной мишени, проходят через систему соленоидов транспорта мюонов. Заряженные частицы движутся по винтовой траектории в соленоидальном поле. В изогнутом соленоиде центральная ось этой траектории смещается в направлении, перпендикулярном плоскости центра луча. Величина этого дрейфа D равна

, где p = pL2 + pT2 — импульс, p _L и p _T — продольный и поперечный импульс соответственно, q — электрический заряд частицы, B — магнитное поле соленоида на оси луча, s, — длина пути вдоль оси луча, R — радиус соленоидной системы, θ — угол наклона начального импульса частицы.Для корректировки траекторий луча, выходящих за пределы плоскости оси луча, что в конечном итоге приводит к смещению луча и потерям, могут быть реализованы два различных решения. Одним из решений является применение компенсационного дипольного поля, параллельного направлению дрейфа, которое эффективно наклоняет соленоидальное поле в направлении, противоположном направлению дрейфа, применяемому в противном случае. Поле компенсационного диполя, B _comp , получается как

Другое решение — иметь встречно изгибаемый последующий транспортный соленоид с тем же углом изгиба.Это решение принято в эксперименте Mu2e. Также следует отметить, что направление дрейфа противоположно различным заряженным частицам. Это разделяет траектории в зависимости от заряда частицы и позволяет выбирать заряд пучка. В эксперименте COMET положительные пионы и мюоны отфильтровываются с помощью соответствующего коллиматора на конце транспортного соленоида.

Как показано на рис. 9 и описано в разделе 5, в эксперименте COMET Phase-II будет установлен полный транспортный соленоид C-образной формы с углом 180 °, однако соленоид половинной длины 90 ° будет использоваться в Phase- Экспериментирую, как поэтапный подход к конструкции соленоида.Напряженность соленоидального поля составляет 3 Тл, где напряженность поля компенсационного диполя составляет около 500 Гаусс.

3.4. Детекторы фазы I COMET

CyDET, показанный на Рисунке 4, состоит из цилиндрической дрейфовой камеры (CDC) и двух триггерных решеток годоскопов, которые расположены внутри системы соленоидов детектора, обеспечивая соленоидное поле 1 Тл. В центре CDC находится целевая система, останавливающая мюоны, состоящая из алюминиевых дисков, куда мюоны улавливаются.

Рисунок 4 .Схема детекторной системы CyDET.

CDC — это обычная дрейфовая камера, состоящая примерно из 5000 проволок и 39 слоев. Первый и последний слои — это защитные слои, слои четного порядка — это слои поля, а нечетные слои — это сенсорные слои, где полевые провода заземлены, а сенсорные провода находятся под напряжением около 1,7 кВ. Стерео угол сенсорных слоев чередуется положительным и отрицательным. Внутренний и внешний радиусы составляют около 500 и 850 мм соответственно, которые определены для того, чтобы покрыть полный след электрона 105 МэВ от преобразования мюона и отклонить электроны с энергией менее 60 МэВ.Требование импульсного разрешения составляет 200 кэВ / c для электрона 105 МэВ, чтобы достичь расчетной экспериментальной чувствительности. Чтобы уменьшить эффекты множественного рассеяния, которые влияют на разрешение по импульсу при измерениях с низким импульсом, CDC спроектирован так, чтобы иметь как можно меньшую массу. Во время испытаний космическими лучами измерено пространственное разрешение лучше 200 мкм. В качестве исходного газа CDC выбирается смесь гелия и изобутана (90:10).

Две матрицы триггерных годоскопов (CTH: CyDET Trigger Hodoscope) окружают оба внутренних края CDC, где каждая матрица состоит из 48 наборов пар сцинтилляторов и черенковских детекторов.Направление каждого модуля детектора наклонено внутрь, и они перекрываются примерно на половину глубины. Когда происходит преобразование μ− e , спиральная траектория внутри соленоидального поля 1 Тл генерирует удары CDC, а затем удары годоскопа. Эти удары годоскопа являются первичным пусковым механизмом преобразования электрона. По результатам моделирования, частота попаданий первичного CTH оценивается примерно в несколько МГц. Эта очень высокая скорость обусловлена ​​частицами пучка и тормозным излучением электронов Мишеля, образующихся при распаде мюона в состоянии покоя в мишени, останавливающей мюон.Чтобы снизить частоту попаданий и обеспечить управляемую скорость срабатывания первичного триггера, во внутреннюю часть кольца CTH добавлен свинцовый экран диаметром 16 мм. Также требуется совпадение для 2 соседних пар годоскопов (4 сцинтилляционных или черенковских детекторных модуля), благодаря наклонной и перекрывающейся структуре. После применения этих методов частота запуска оценивается в 19 ~ 26 кГц, в зависимости от продолжительности временного окна измерения после вспышки луча. Обратите внимание, что во время синхронизации луча частота попаданий CTH намного выше из-за частиц луча, и временное окно измерения устанавливается через несколько сотен нс после вспышки луча, чтобы избежать эффектов от вспышки луча.

В центре CDC и соленоида детектора расположены мишени, останавливающие мюоны. Алюминий выбран в качестве материала мюонной мишени с учетом времени жизни мюонного атома и ожидаемой скорости процесса cLFV для различных киральных токов в различных теориях. Время жизни мюонного атома алюминия ( Z = 13) составляет около 0,88 мкм с . Он уменьшается с увеличением атомного номера, поэтому материал с высоким Z не является предпочтительным в качестве материала мюонной мишени. Другой кандидатный материал — титан ( Z = 22) с временем жизни мюонного атома 0.33 мк с . 17 Плоские алюминиевые диски толщиной 200 мкм м и радиусом 100 мм размещены с шагом 50 мм.

Сигналы CDC и CTH считываются пользовательскими платами считывания, RECBE и COTTRI, соответственно. Платы RECBE изначально разрабатывались как считывающие устройства Belle-II CDC [32] и адаптированы для использования в считывающих устройствах COMET CDC. Одна плата RECBE обрабатывает сигналы с 48 каналов CDC, усиливая и оцифровывая, и отправляет данные АЦП и TDC в систему сбора данных (DAQ).Он также отправляет информацию о попадании на плату обработки запуска, COTTRI (плата COmet TRIgger). Система COTTRI [состоящая из нескольких интерфейсных плат (FE) и одной или двух материнских плат (MB)] используется для платы дигитайзера детекторов CTH, а также платы процессора временных данных от CDC. Обработанная информация о попадании и времени CDC в сочетании с информацией о попадании CTH отправляется в центральную триггерную систему. В этой цепочке запуска информация о попадании CDC также используется для генерации окончательного решения о запуске, поэтому она эффективно снижает частоту запуска до уровня – (кГц), отклоняя фоновые события.

Эта конструкция системы запуска показана на рисунке 5. В конструкции центральной системы запуска и синхронизации основной платой процессора запуска является плата FC7 [33], которая была разработана для эксперимента CMS в ЦЕРНе. Он собирает данные о первичном срабатывании триггера, принимает окончательное решение о запуске и передает ему управляющие часы на платы считывания. Чтобы сохранить общность между FC7 и соединениями платы считывания или запуска с использованием оптического последовательного канала со скоростью 4,8 Гбит / с, разработана специальная плата FPGA (плата FCT), которая будет подключена к платам считывания или запуска.Система сбора данных основана на инфраструктуре MIDAS (Максимальная интегрированная система сбора данных) [34].

Рисунок 5 . Конструкция системы запуска и считывания CyDET.

4. Физические возможности эксперимента COMET Phase-I

Чтобы понять физические возможности эксперимента COMET, была разработана основанная на GEANT4 [35] среда моделирования под названием «ICEDUST». Инфраструктура ICEDUST (Integrated Comet Experimental Data User Software Toolkit) основана на структуре, использованной для эксперимента ND280.Хотя моделированием отклика детектора в основном управляет GEANT4, генерации истинных частиц и их распады можно моделировать с помощью внешних пакетов Монте-Карло, таких как MARS [36], FLUKA [37] или PHITS [38]. В ICEDUST включено специальное физическое описание процесса захвата мюонов.

4.1. Сигнал и фон в эксперименте

Сигнал преобразования μ− e представляет собой одиночный моноэнергетический электрон с энергией:

, где m _μ — масса мюона, B _μ — энергия связи мюонного атома в состоянии 1s, а E _recoil — потеря энергии излучающего электрона из-за отдача ядер. Импульс сигнального (или фонового) электрона будет измеряться CDC CyDET в случае COMET Phase-I или соломенным детектором StrECAL в случае COMET Phase-II.

Трек электрона и его импульс можно восстановить, применяя алгоритмы выбора совпадений, поиска треков и подбора треков.В процедуре подгонки дорожек очень важно устранение фоновых совпадений для получения хороших результатов подгонки дорожек. Удары, создаваемые высокоионизирующими частицами, такими как протон, легко отклоняются путем применения критериев по выделению энергии в проводе CDC. Этот простой метод не работает при отклонении попаданий от дельта-лучей, электронно-позитронной пары, созданной фоновыми фотонами, в основном, исходящими от мишени, останавливающей мюон, или заряженных частиц, генерируемых первично нейтронами, все с низкой энергией и с короткими длинами пути в CDC.Напротив, электроны сигнала преобразования или электроны DIO высокой энергии генерируют спиральные траектории в CDC, которые можно различить по их форме. Следовательно, первая процедура анализа сигнала — это выявление попаданий CDC от сигнальных электронов из фоновых попаданий. Из исследования моделирования с помощью ICEDUST с сигналом и выборкой данных, наложенных на фон, было обнаружено, что применение алгоритма Gradient Boosted Decision Tree (GBDT) с входными характеристиками энергозатрат сенсорного провода, отложения энергии соседнего сенсорного провода и номера слоя является весьма эффективным. для различения фоновых попаданий.Предварительный результат показывает, что сохраняется около 95% сигнала, когда можно удалить 99% фоновых попаданий. На рисунке 6 показан один из примеров применения GBDT в выборе совпадений. Этот алгоритм можно применять не только на этапе анализа данных, но и на уровне запуска в COTTRI, чтобы еще больше снизить фоновые совпадения и частоту запуска. После выбора попаданий кандидаты на треки находятся либо с помощью преобразования Хафа, либо с помощью нейронной сети. Метод фильтрации Калмана может быть использован при подгонке трека для оценки импульса сигнала.

Рисунок 6 . Визуальное представление GBDT уровня попаданий, примененного к сигнальному событию с фоновыми попаданиями. Красные и синие закрашенные кружки — это попадания, пропущенные приложением GBDT, а пустые кружки — отклонены. Большая синяя дуга — это сигнальный электрон.

Приемлемость сигнала эксперимента Фазы-I оценивается в рамках исследования моделирования ICEDUST, и в таблице 3 показан результат. Основные недостатки связаны с геометрией CDC, которая не является 4π-детектором.Чистая геометрическая приемлемость составляет около 34%, а требование 4-кратного совпадения вместе с выбором качества дорожек снижает эффективность до 18%. Следует отметить, что выбор качества трека является предварительным результатом и может быть улучшен на реальных данных. Благодаря хорошему разрешению CDC критерии окна импульса не оказывают существенного влияния на эффективность. В этой оценке временное окно измерения установлено от 700 нс после импульса луча до 1170 нс, предполагая, что интервал между сгустками равен 1.17 мк с . Более длинный интервал между банками увеличивает эффективность, жертвуя общим временем сбора данных. Можно рассмотреть возможность увеличения времени начала временного окна измерения до 500 нс для повышения эффективности. Общее принятие сигнала оценивается примерно в 4,1%.

Таблица 3 . Разбивка приемников сигналов преобразования μ− e .

Для фоновых событий эксперимента COMET их можно разделить на физические фоны и фоны, связанные с лучом.

Физические основы являются следствием мюонного атома.

(1) Орбитальный распад (DIO),

— это распад мюона в мюонном атоме без взаимодействия с ядром на один электрон и два нейтрино. Энергетическое распределение электронов DIO достигает максимума при 52 МэВ, однако простирается до 105 МэВ из-за отдачи ядер. Спектр высокоэнергетического хвоста DIO хорошо смоделирован Czarnecki et al. [39]. Этот высокоэнергетический хвост DIO представляет собой несократимый физический фоновый источник.

(2) Другой возможностью мюона в мюонном атоме является его захват ядром, что означает, что он распадается в результате слабого взаимодействия с нуклонами, оставляя их в возбужденных состояниях и распадаясь с испусканием вторичных частиц. В частности, вторичный γ может иметь достаточно энергии для создания пары e ^— e ⁺ , и эти электроны с аналогичной энергией с сигналом преобразования μ — e будут фоновым событием. Это называется радиационным захватом мюонов (RMC), который можно выразить как

Во время девозбуждения ядер испускается около 2 нейтронов и 0,1 протона [40], однако эти выбросы частиц не оказывают существенного влияния на оценку фона.

Фон, связанный с пучком, — это эффекты немюонных частиц в пучке и продуктов их распада, или эффекты распада мюона во время транспортировки к мишени, останавливающей мюон.

(3) Фон радиационного захвата пионов (RPC),

является результатом оставшихся пионов в мюонном пучке, которые захватываются останавливающейся мишенью и распадаются с γ, что может создать пару e ^— e ⁺ .

(4) Нейтроны, генерируемые протонной мишенью под действием протонного импульса, могут проникать через экранирующую структуру вокруг соленоида захвата и соленоида детектора. Эти нейтроны могут создавать фотоны, которые впоследствии создают электрон-позитронную пару. Одна из причин использования изогнутого транспортного соленоида состоит в том, чтобы избежать попадания нейтронов в зону прямой видимости от протонной мишени к детектору и к мишени, останавливающей мюон. Бетонная защита вокруг соленоида эффективно уменьшает количество этих нейтронов. На самом деле нейтроны более проблематичны с точки зрения радиационной стойкости детекторов SiPM, используемых для вето-детекторов космических лучей.Эффекты исследуются.

(5) Частицы пучка, которые не захватываются мишенью, останавливающей мюон, могут распадаться на электроны во время полета. Такой распад вблизи останавливающейся цели становится прямым источником фона. Любая другая частица в лучевом загрязнении, такая как электрон или антипротон, может рассыпаться в детектор и стать фоном. Эти фоны, связанные с пучком, могут возникать в виде импульса протона или с задержкой. Частицы пучка с задержкой можно не учитывать, если коэффициент ослабления между пучками очень низок.

(6) Мюоны космических лучей могут поражать останавливающуюся цель и захватываться. В эксперименте COMET мюонные вето-детекторы спроектированы вокруг системы соленоидов детектора, чтобы наложить вето на сигналы, подобные событиям, исходящим от космических лучей. Общее количество космических лучей также можно подсчитать, чтобы учесть его влияние при анализе данных. Следует отметить, что в эксперименте COMET Phase-I с детектором CDC, закрывающим мюонную останавливающую мишень, космические лучи, проходящие через останавливающуюся мишень, могут быть полностью восстановлены в CDC.

В то время как DIO не восстанавливается, эксперимент COMET Phase-I подвержен более высокому фону RPC из-за малой длины транспорта пионов. Все остальные фоны распределяются равномерно в области сигнала преобразования μ− e , когда DIO показывает быстро падающий спектр почти до 105 МэВ. Следовательно, чтобы уменьшить влияние DIO, критически важно иметь достаточное импульсное разрешение измерения электронов. В таблице 4 приведены оценки фоновых событий по результатам моделирования ICEDUST.Общее количество фоновых событий, оцененных в области сигнала преобразования μ− e , составляет 0,032.

Таблица 4 . Сводка оцененных фоновых событий для чувствительности к единичным событиям 3 × 10 ⁻¹⁵ в Фазе-I COMET с коэффициентом экстинкции протонов 3 × 10 ⁻¹¹ .

4.2. Оценка чувствительности

На рис. 7 показан расчетный фоновый спектр DIO и спектр сигнала преобразования μ− e при условии, что коэффициент преобразования 3 × 10 ⁻¹⁵ .Другие фоны на этом графике не показаны, так как их вклад незначителен. Также очевидно, что разделение сигнала и фона DIO будет четким из-за достаточного импульсного разрешения CDC.

Рисунок 7 . Распределения импульсов для восстановленных сигналов преобразования μ− e (правая сплошная красная кривая с пиковым распределением) и восстановленных событий DIO (левая сплошная синяя кривая с убывающим распределением). Вертикальный масштаб нормализован таким образом, что интеграл кривой сигнала равен одному событию.Это предполагает коэффициент разветвления B (μ N → eN ) = 3,1 × 10 ⁻¹⁵ .

На основе этих приемочных и фоновых оценок чувствительность к единичным событиям (SES) может быть получена с помощью:

, где Np = 3,2 × 1019 — общее количество протонов, Rμp = 4,7 × 10-4 — выход мюонов на протон, полученный в результате моделирования, f _cap = 0,61 — доля захваченных мюонов в общем количестве мюонов на мишени. , f _gnd = 0.9 — доля преобразования мюона в основное состояние, а A _{μ- e} = 0,041 — прием сигнала. Расчетная SES составляет

При токе протонного пучка 3,2 кВт для измерения требуется около 1,26 × 10 ⁷ с, что соответствует примерно полугодию. Следует отметить, что скорость образования пионов на протон не совсем понятна. Следовательно, время выполнения может быть соответственно неопределенным.

5. Программа измерения пучка в фазе I и COMET, фаза II

5.1. Программа измерения пучка и детектор StrECAL

После того, как измерение преобразования μ− e будет завершено в COMET Phase-I, последует программа измерения пучка с учетом COMET Phase-II. В этом измерении будет использован прототип детектора StrECAL COMET Phase-II, который будет установлен вместо CyDET на конце соленоида переноса пионов и мюонов. Эти детекторы будут измерять пионы и мюоны, а также другие компоненты частиц, и, наконец, будут оцениваться профиль пучка, скорость и временная структура как функция энергии для каждого вида частиц в пучке.Эта информация будет очень полезна для понимания предыстории эксперимента Фазы II и оценки его чувствительности. Моделирование можно настроить с использованием полученных реалистичных данных, которые обеспечат более реалистичную оценку на заднем плане. Мощность луча будет уменьшена примерно на 1/1000 по сравнению с работой Фазы-I из-за ограниченной скорости детектора StrECAL, который фактически разработан для эксперимента Фазы-II с уменьшенными фоновыми условиями после изогнутого соленоида детектора и выбора импульса частицы.

В связи с этим, детектор фазы II, StrECAL, разрабатывается вместе с установкой фазы I. StrECAL состоит из станций слежения, использующих соломенные детекторы, за которыми следует массив калориметров для измерения импульса и энергии частицы соответственно. На рисунке 8 показана конфигурация строу-детектора для эксперимента COMET Phase-II. Матрица калориметров будет расположена в конце станций детектора соломы (не показаны на рисунке).

Рисунок 8 .Конфигурация детектора соломы для эксперимента COMET Phase-II.

Система слежения за соломой состоит из нескольких блоков детекторов слежения за соломинкой, каждый из которых состоит из четырех слоев соломинок. Направления двух и двух других слоев ортогональны, чтобы обеспечить двумерную информацию о положении попадания. Строу представляют собой проводящие строу диаметром 9,75 мм, состоящие из металлизированной полиимидной пленки толщиной 20 мкм м . Анодная проволока представляет собой позолоченную вольфрамовую проволоку диаметром 25 мкм м и диаметром мм.В качестве исходного газа выбирается смесь аргонна и этана (50:50). Платы считывания изготавливаются на заказ с использованием микросхемы ASD [41] в качестве усилителя и микросхемы DRS4 [42] в качестве дигитайзера.

Набор калориметров состоит из примерно 2000 модулей кристаллического калориметра LYSO (лютеций-иттриевый оксиортосиликат). Размер каждого модуля составляет 2 × 2 см. ² поперечное сечение длиной 12 см, что соответствует 10,5 радиационной длине. Калориметр должен иметь энергетическое разрешение лучше 5% при 105 МэВ и разрешение положения кластера лучше 1 см.Лавинный фотодиод (APD) или кремниевые фотоумножители (SiPM) являются кандидатами в качестве детектора фотонов. Матрицы калориметров измеряют энергию частиц, а также выдают первичный сигнал запуска.

5.2. COMET Phase-II Experiment

Целью эксперимента COMET Phase-II является измерение преобразования μ− e с чувствительностью O (10 ⁻¹⁷ ) с использованием пучка протонов 8 ГэВ и 56 кВт. Чувствительность мишени будет в 100 раз лучше, чем у эксперимента COMET Phase-I.На рисунке 9 показан концептуальный рисунок эксперимента Фазы-II COMET в сравнении с экспериментальной установкой Фазы-I. В Фазе I COMET будет использоваться транспортный соленоид пионов и мюонов половинной длины под углом 90 °, однако на Фазе-II будет использоваться полный изогнутый транспортный соленоид на 180 °, за которым следует прямая секция соленоида для дальнейшего распада пиона. Это позволит меньше пионов и больше мюонов в пучке и, наконец, уменьшит фон RPC с более высокой статистикой мюонов. После остановки мюона мишень будет установлен изогнутый соленоид детектора, который обеспечивает соленоидальное поле, а также компенсирует дипольное поле.Эта соленоидная система эффективно работает как селектор импульса частиц. Таким образом, детектор будет наблюдать только частицы с дальностью импульса 60–120 МэВ / c . Это удаляет большинство частиц пучка с низкой энергией, а также другие фоны, связанные с пучком или DIO. Изогнутая структура соленоида также удаляет фон от нейтральных частиц на линии прямой видимости, таких как фотоны от RMC. Полная установка детекторной системы StrECAL будет помещена в соленоидальное поле для измерения импульса и энергии конверсионных электронов.Продолжается исследование по моделированию для обновления проекта и начала строительства после завершения эксперимента Фазы-I. Предварительный результат исследования показывает эффективность сигнала 5,7%, количество фонов из 0,66 событий с преобладанием фона космических лучей и чувствительность к одиночным событиям 2,6 × 10 ⁻¹⁷ с использованием 6,83 × 10 ²⁰ протонов в течение 1,57 × 10 ⁷ с. [43].

Рисунок 9 . Экспериментальная установка COMET Phase-II в сравнении с установкой COMET Phase-I.

6.Резюме и перспективы

Эксперимент COMET — это поиск преобразования μ− e , который является одним из наиболее важных поисков cLFV. Он использует пучок протонов с энергией 8 ГэВ от J-PARC для производства мюонов, которые будут захвачены алюминиевой мишенью для преобразования мюонов. Сигнал преобразования мюона будет измеряться с помощью детектора с цилиндрической дрейфовой камерой в эксперименте Фаза-I. Расчетная чувствительность к единичным событиям составляет 3 × 10 ⁻¹⁵ , что в 100 раз превышает текущий мировой предел.Детектор и строительство объекта идет по графику. Некоторые важные детали, такие как транспортный соленоид мюонов и дрейфовая камера, готовы и работают. Другие компоненты детектора будут введены в эксплуатацию и испытаны к концу 2019 года, чтобы быть готовыми к лучу, который поступит позже. Разработка COMET Phase-II также продолжается, например, завершены испытания прототипа детектора StrECAL. Сбор данных Фазы-II эксперимента будет проведен после завершения Фазы-I, где можно будет достичь чувствительности преобразования мюонов O (10 ⁻¹⁷ ).

Авторские взносы

Автор-корреспондент написал эту обзорную статью от имени сотрудничества COMET.

Заявление о конфликте интересов

Автор заявляет, что исследование проводилось при отсутствии каких-либо коммерческих или финансовых отношений, которые могут быть истолкованы как потенциальный конфликт интересов.

Благодарности

Коллектив COMET благодарит KEK и J-PARC, Япония, за их поддержку инфраструктуры и работу COMET.Эта работа частично поддержана Японским обществом содействия науке (JSPS), грант KAKENHI № 25000004; JSPS KAKENHI, грант №JP17H06135; Грант Белорусского республиканского фонда фундаментальных исследований Ф18Р-006; Национальный фонд естественных наук Китая (NSFC) по контрактам № 11335009 и 11475208; Программа исследований Института физики высоких энергий (ИФВЭ) по контракту № Y3545111U2; Государственная ключевая лаборатория обнаружения частиц и электроники ИФВЭ, Китай, по контракту №H929420BTD; Национальный институт ядерной физики и физики элементарных частиц (IN2P3), Франция; Национальный научный фонд Шота Руставели (SRNSF), Грузия; Тематический план проекта COMET # 1134 по исследованиям и международному сотрудничеству Объединенного института ядерных исследований (ОИЯИ); Институт фундаментальных наук (IBS) Республики Корея в рамках проекта № IBS-R017-D1-2018-a00; Грант РФФИ № РФФИ-17-02-01073; Совет по науке и технологиям, Соединенное Королевство; Лондонская программа краткосрочных преддипломных стипендий JSPS, малый грант англо-японского фонда Daiwa; и грант на международные совместные проекты Королевского общества.Мы выражаем признательность всем партнерам за решающую вычислительную поддержку, особенно со стороны CC-IN2P3, Франция; Фабрика данных Яндекса, Россия; и GridPP, Великобритания.

Сноски

Список литературы

1. Абрамишвили Р., Ахметшин Р., Анищик В., Аоки М., Эпплби РБ, Аримото Ю. Отчет о техническом проектировании Фазы-1 COMET, Отчет КЭК 2015-1 (2015).

2. Бертл В., Энгфер Р., Гермес Э.А., Курц Г., Козловски Т., Кут Дж. И др. Поиск конверсии μ− e в мюонном золоте. Eur Phys J. C (2006) 47 : 337. DOI: 10.1140 / epjc / s2006-02582-x

CrossRef Полный текст | Google Scholar

3. де Гувеа А. (Заряженный) нарушение лептонного вкуса. Nucl Phys B (Proc Suppl.) (2009) 188 : 303. DOI: 10.1016 / j.nuclphysbps.2009.02.071

CrossRef Полный текст | Google Scholar

4. Китано Р., Койке М., Окада Ю. Детальный расчет скорости превращения мюона в электроны, нарушающей аромат лептона, для различных ядер. Phys Rev. D (2002) 66 : 096002. DOI: 10.1103 / PhysRevD.66.096002

CrossRef Полный текст | Google Scholar

5. Кривеллин А., Дэвидсон С., Пруна Г. М., Сигне А. Улучшенный анализ ренормализационной группой процессов μ → e в рамках систематического подхода теории эффективного поля. Дж Физика высоких энергий. (2017) 2017 : 117. DOI: 10.1007 / JHEP05 (2017) 117

CrossRef Полный текст | Google Scholar

6. Беллгардт У., Оттер Дж., Эйхлер Р., Фелавка Л., Нибур С., Вальтер Х. К. и др.Поиск распада μ ⁺ → e ⁺ e ^— e ⁺ . Nucl Phys. В (1988) 299 : 1. DOI: 10.1016 / 0550-3213 (88)-2

CrossRef Полный текст | Google Scholar

7. Perrevoort AK. Поиск нарушения лептонного аромата с помощью эксперимента Mu3e. Proc Sci. (2017) NuFact2017 : 105.

Google Scholar

8. Нарди Э. З ‘, новые фермионы и процессы изменения аромата, Ограничения на модели E (6) от μ → eee . Phys Rev. D (1993) 48 : 1240. DOI: 10.1103 / PhysRevD.48.1240

CrossRef Полный текст | Google Scholar

9. Muller DJ, Nandi S. Верхний вкус: отдельный SU (2) для третьей семьи. Phys Lett. (1996) B383 : 345. DOI: 10.1016 / 0370-2693 (96) 00745-9

CrossRef Полный текст | Google Scholar

11. Дельгадо А., Помарол А., Кирос М. Физика электрослабого воздействия и аромата в расширениях стандартной модели с большими дополнительными измерениями. J HEP (2000) 2000 : 30. DOI: 10.1088 / 1126-6708 / 2000/01/030

CrossRef Полный текст | Google Scholar

12. Агаше К., Блехман А.Е., Петриелло Ф. Исследование геометрического происхождения аромата по Рэндаллу-Сундруму с нарушением лептонного вкуса. Phys Rev. (2006) D74 : 053011. DOI: 10.1103 / PhysRevD.74.053011

CrossRef Полный текст | Google Scholar

13. Бланке М., Бурас А.Дж., Дулинг Б., Пошенридер А., Тарантино С. Нарушение вкуса заряженного лептона и ( г −2) _μ в самой маленькой модели Хиггса с Т-четностью: четкое отличие от суперсимметрии. J HEP (2007) 2007 : 13. DOI: 10.1088 / 1126-6708 / 2007/05/013

CrossRef Полный текст | Google Scholar

14. de Carlos B, Белый PL. Эффекты нарушения R-четности через члены мягкого нарушения суперсимметрии и ренормгруппу. Phys Rev. D (1996) 54 : 3427. DOI: 10.1103 / PhysRevD.54.3427

CrossRef Полный текст | Google Scholar

15. Kim JE, Ko P, Lee DG. Подробнее о связях, нарушающих R-четность и число лептонных семейств, в результате преобразования мюонов (ium), а также о распадах τ и π ⁰ .Phys Rev. D (1997) 56 : 100. DOI: 10.1103 / PhysRevD.56.100

CrossRef Полный текст | Google Scholar

16. Габриэлли Э. Модельно-независимые ограничения на лептокварки от редких мюонных и тау-лептонных процессов. Phys Rev. (2000) D62 : 055009.

Google Scholar

17. Арнольд Дж. М., Форнал Б., Мудрый МБ. Феноменология скалярных лептокварков. Phys Rev. D (2013) 88 : 035009. DOI: 10.1103 / PhysRevD.88.035009

CrossRef Полный текст | Google Scholar

18. Абада А., Краусс М.Э., Пород В., Стауб Ф., Висенте А., Вейланд К. Нарушение вкуса лептона в низкомасштабных моделях качелей: вклад в SUSY и не-SUSY. J HEP (2014) 2004 : 48. DOI: 10.1007 / JHEP11 (2014) 048

CrossRef Полный текст | Google Scholar

19. Хисано Дж., Тобе К. Массы нейтрино, мюон g-2 и нарушение лептонного аромата в суперсимметричной модели качелей. Phys Lett B (2001) 510 : 197.DOI: 10.1016 / S0370-2693 (01) 00494-4

CrossRef Полный текст | Google Scholar

20. Арганда Э., Эрреро М.Дж., Тейшейра А.М. Конверсия μ− e в ядрах на качелях CMSSM: универсальность против неуниверсальности. J HEP (2007) 2007 : 104. DOI: 10.1088 / 1126-6708 / 2007/10/104

CrossRef Полный текст | Google Scholar

21. Илаковац А., Пилафцис А. Аромат, нарушающий распад заряженного лептона в моделях типа качелей. Nucl Phys. (1995) B437 : 491. DOI: 10.1016 / 0550-3213 (94) 00567-X

CrossRef Полный текст | Google Scholar

22. Алонсо Р., Дхен М., Гавела М.Б., Хэмбай Т. Преобразование мюонов в электрон в ядрах в моделях качелей типа I. J HEP (2013) 2013 : 118. DOI: 10.1007 / JHEP01 (2013) 118

CrossRef Полный текст | Google Scholar

23. Hambye T. CLFV и происхождение масс нейтрино. Nucl Phys Proc Suppl. (2014) 248–250 : 13.DOI: 10.1016 / j.nuclphysbps.2014.02.004

CrossRef Полный текст | Google Scholar

24. Франк М. Конверсия μ− e в ядрах в лево-правой суперсимметричной модели. Eur Phys J C (2000) 17 : 501. DOI: 10.1007 / s100520000482

CrossRef Полный текст | Google Scholar

25. Чарнецкий А., Марчиано В. Дж., Мельников К. Когерентная мюон-электронная конверсия в мюонных атомах. AIP Conf Proc. (1998) 435 : 409. DOI: 10.1063 / 1,56214

CrossRef Полный текст | Google Scholar

26. Петцова ул. Процессы μ → eγ , μ → eeē , ν ′ → ν γ в модели Вайнберга-Салама со смешением нейтрино. Sov J Nucl Phys. (1977) 25 : 340.

Google Scholar

27. Марчиано В.Дж., Сандра А.И. Экзотические распады мюона и тяжелых лептонов в калибровочных теориях. Phys Lett. (1977) 67B : 303. DOI: 10.1016 / 0370-2693 (77)

CrossRef Полный текст | Google Scholar

28.Adam J, Bai X, Baldini AM, Baracchini E, Bemporad C, Boca G, et al. Детектор МЭГ для поиска γ-распада μ ⁺ → e ⁺ . Eur Phys J. C (2013) 73 : 2365. DOI: 10.1140 / epjc / s10052-013-2365-2

CrossRef Полный текст | Google Scholar

29. Адам Дж., Бай Х, Балдини А.М., Бараккини Э., Бемпорад С., Бока Дж. И др. Новое ограничение на существование распада μ ⁺ → e ⁺ γ. Phys Rev Lett. (2013) 110 : 201801. DOI: 10.1103 / PhysRevLett.110.201801

PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar

30. Baldini AM, Bao Y, Baracchini E, Bemporad C, Berg F, Biasotti M, et al. Поиск распада, нарушающего лептонный аромат μ + → e + γ, с полным набором данных эксперимента MEG. Eur Phys J C (2016) 76 : 434. DOI: 10.1140 / epjc / s10052-016-4271-x

CrossRef Полный текст | Google Scholar

31.Бартошек Л., Барнс Е., Миллер Дж. П., Мотт Дж., Палладино А., Куирк Дж. И др. Отчет о техническом проектировании Mu2e. arXiv: 1501.05241 (2015).

Google Scholar

32. Симадзаки С., Танигуи Т., Учида Т., Икено М., Танигучи Н., Танака М.М. Фронтальная электроника дрейфовой камеры Belle II. Nucl Instrum методы Phys Res A (2014) 735 : 193. DOI: 10.1016 / j.nima.2013.09.050

CrossRef Полный текст | Google Scholar

33. Пезареси Баррос М., Марин М., Холл Г., Хансен М., Ильес Г., Роуз А. и др.FC7 AMC для общих приложений сбора данных и управления в CMS. J Instrum. (2015) 10 : C03036. DOI: 10.1088 / 1748-0221 / 10/03 / C03036

CrossRef Полный текст | Google Scholar

34. Ритт С., Амаудруз П., Ольчанский К. Система сбора данных MIDAS. В: Proceedings of the IEEE 10th Real Time Conference (1997). п. 309.

Google Scholar

35. Агостинелли С., Эллисон Дж., Амако К., Апостолакис Дж., Арауджо Х., Арсе П. и др.GEANT4: набор инструментов для моделирования. Nucl Instrum Meth A (2003) 506 : 250. DOI: 10.1016 / S0168-9002 (03) 01368-8

CrossRef Полный текст | Google Scholar

37. Баттистони Г., Мураро С., Сала ПР, Серутти Ф, Феррари А, Роеслер С. и др. Код FLUKA: описание и сравнительный анализ. AIP Conf. Proc. (2007) 896 : 31. DOI: 10.1063 / 1.2720455

CrossRef Полный текст | Google Scholar

38. Ниита К., Сато Т., Ивасе Х, Нос Х, Накашима Х, Сивер Л. и др.PHITS: кодовая система для переноса частиц и тяжелых ионов. Radiat Meas. (2006) 41 : 1080. DOI: 10.1016 / j.radmeas.2006.07.013

CrossRef Полный текст | Google Scholar

39. Чарнецки А., Тормо XG, Марчиано В.Дж. Распад мюона на орбите: спектр электронов высоких энергий. Phys Rev D (2011) 84 : 013006. DOI: 10.1103 / PhysRevD.84.013006

CrossRef Полный текст | Google Scholar

40. Литчфилд П. Статус эксперимента AlCap.arXiv: 1501.04880 (2015).

Google Scholar

41. Сасаки О., Йошида М. ASD IC для камер с тонкими зазорами в эксперименте LHC ATLAS. В: 1998 Отчет о конференции симпозиума IEEE по ядерной науке. Симпозиум IEEE по ядерным наукам и конференция по медицинской визуализации (№ 98Ch46255), том 1, 1998 г. Торонто, Онтарио (1998). п. 440–4. DOI: 10.1109 / NSSMIC.1998.775179

CrossRef Полный текст | Google Scholar

42. Ritt S. Микросхема DRS: дешевая оцифровка осциллограмм в диапазоне ГГц. Nucl Instr Meth. А (2004) 518 : 470. DOI: 10.1016 / j.nima.2003.11.059

CrossRef Полный текст | Google Scholar

43. Криклер Б. Оценки чувствительности и фона для фазы II эксперимента COMET, , докторская диссертация, Имперский колледж Лондона (2017).