[論文レビュー] A submission to the 2020 update of the European Strategy for Particle Physics on behalf of the COMET, MEG, Mu2e and Mu3e collaborations

A. Baldini, D. Glenzinskí+9 more|arXiv (Cornell University)|Dec 16, 2018

Particle physics theoretical and experimental studies参考文献 5被引用数 23

ひとこと要約

本論文は、PSI、フェルミラブ、J-PARCにおける高強度ミューオンビームを用いたミューオンから電子への遷移における電荷粒子のレプトンフラバー違反（cLFV）を探索する協働的なグローバルプログラムを提案する。これらの施設における次世代アップグレードを活用することで、10^4 TeV/c²までの感度を達成し、標準模型を超える新しい物理学の発見可能性を高める。

ABSTRACT

Charged-lepton flavour-violating (cLFV) processes offer deep probes for new physics with discovery sensitivity to a broad array of new physics models - SUSY, Higgs Doublets, Extra Dimensions, and, particularly, models explaining the neutrino mass hierarchy and the matter-antimatter asymmetry of the universe via leptogenesis. The most sensitive probes of cLFV utilize high-intensity muon beams to search for $μ ightarrow e$ transitions. We summarize the status of muon-cLFV experiments currently under construction at PSI, Fermilab, and J-PARC. These experiments offer sensitivity to effective new physics mass scales approaching O($10^4$) TeV/c$^2$. Further improvements are possible and next-generation experiments, using upgraded accelerator facilities at PSI, Fermilab, and J-PARC, could begin data taking within the next decade. In the case of discoveries at the LHC, they could distinguish among alternative models; even in the absence of direct discoveries, they could establish new physics. These experiments both complement and extend the searches at the LHC.

研究の動機と目的

• 標準模型を超える新しい物理学の探査として、ミューオン系における電荷粒子のレプトンフラバー違反（cLFV）の探索を進める。
• 既存およびアップグレード済み施設における高強度ミューオンビームを用いて、cLFVプロセスへの感度を数個のオーダー向上させる。
• μ→eγ、μ→eee、μ→e変換の3つのゴールデンチャネルを網羅的に追求することで、cLFVのパラメータ空間を包括的に探査する。
• 設計、建設、データ取得、解析に参加することで、ヨーロッパの参加を強化し、国際的なcLFV実験の成功を支援する。
• PSI、フェルミラブ、J-PARCにおける将来のアップグレードを支援し、μ→e遷移の感度を10^−17から10^−19の範囲にまで向上させ、新しい物理学モデルの発見を可能にする。

提案手法

• PSI（MEG、Mu3e）、フェルミラブ（Mu2e）、J-PARC（COMET）における高強度ミューオンビームを活用し、3つの異なる崩壊モードを通じてμ→e遷移を探索する。
• PSI（HiMB）、フェルミラブ（PIP-IIリニアック）、J-PARC（プロトンビーム出力の増加）におけるビームラインアップグレードを実施し、ミューオンビーム強度を10〜100倍に向上させる。
• ドアブルスティーリングフィールドと薄い停止標的を用いて、運動量分解能の向上とバックグラウンド抑制を実現するように実験装置を設計・最適化する。
• COMETフェーズIIとFFAGミューオンストレージリングを組み合わせたモノクロマチックでパイオンを抑制したミューオンビーム（1秒あたり10^12個以上）を生成するPRISMプロジェクトを検討する。
• 高精度な電子分光器とミューオン捕獲検出器を活用し、バックグラウンド抑制を10^−12レベルまで行い、希少なcLFV信号を特定する。
• フェーズI実験のデータを統合し、フェーズIIおよびアップグレード済み実験（Mu2e-II、COMETフェーズII）の設計と最適化を支援する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 PSI、フェルミラブ、J-PARCにおける次世代の高強度ミューオンビームを用いたμ→e遷移の最大感度はどの程度達成可能か？
• RQ2 μ→eγ、μ→eee、μ→e変換の相対的生成率は、SUSY、追加次元、レプトクォークなど、さまざまな新しい物理学モデルをどのように制限するか？
• RQ3 PSI（HiMB）、フェルミラブ（PIP-II）、J-PARC（ビーム出力の増加）におけるビームラインアップグレードが、将来のcLFV実験でどの程度の感度向上をもたらすか？
• RQ4 PRISMプロジェクトは、ミューオンストレージリングと高強度ビーム、重元素標的を組み合わせることで、μ→e変換の感度を10^−19に達成可能か？
• RQ5 ヨーロッパの機関は、設計、建設、解析への継続的参加を通じて、次世代cLFV実験の成功をどのように支援できるか？

主な発見

• 現在の実験（MEG、Mu3e、Mu2e、COMET）は、cLFV感度が10^−12から10^−13の範囲に達しており、10^3 TeV/c²を超える有効な新しい物理学スケールを探査している。
• MEG、Mu3e、Mu2e、COMETにおけるフェーズIの次世代実験は、感度を最大で4桁向上させ、μ→e変換では10^−17、μ→eγおよびμ→eeeでは10^−16に達する見込みである。
• フェルミラブのMu2e-IIやJ-PARCのCOMETフェーズIIといったアップグレードは、PIP-IIと強化されたビーム出力により、現在の限界比で10〜100倍の感度向上が見込まれる。
• COMETフェーズIIとFFAGミューオンストレージリングを統合したPRISMプロジェクトは、μ→e変換の感度を10^−19に達成可能であり、重元素標的や新しい物理学オペレーターの研究が可能になる。
• PSIのMu3e実験は、8 GeVの56 kWプロトンを用い、230日間の運用で90%信頼水準でμ→eeeの感度を10^−17に達する見込みである。
• フェルミラブにMu2e-IIの意図表明が提出され、36の機関に所属する130名の科学者が支援しており、PIP-IIの100 kWプロトンを用いることで、Mu2eの感度を最低でも10倍向上させる見込みである。