[論文レビュー] Charged Lepton Flavor Violation Experiments

G. Signorelli|arXiv (Cornell University)|Jul 31, 2013

Particle physics theoretical and experimental studies参考文献 5被引用数 4

ひとこと要約

本論文は、ミューオンを用いた電荷を帯びるレプトンのフラバー違反（CLFV）探索、特に $μ\to e\gamma$、$μ\to 3e$、$μ\to e$ 変換の実験的状況と今後の見通しをレビューする。MEG、Mu2e、COMET、DeeMe といった現在進行中および計画中の実験が、高強度の低エネルギーミューオンビームと高度な検出器を用いて、標準模型を超える新しい物理を $10^{-17}$ の感度まで探査していることを強調している。

ABSTRACT

The experimental status of charged lepton flavor violation searches is briefly reviewed, with particular emphasis on the three classical searches involving muon transisions: $μ o e γ$, $μ o e$ conversion and $μ o 3e$.

研究の動機と目的

• 電荷を帯びるレプトンのフラバー違反（CLFV）がミューオン遷移において現在どのように実験的に評価されているかを要約すること。特に $μ\to e\gamma$、$μ\to 3e$、$μ\to e$ 変換を対象とする。
• 珍しいミューオン崩壊および変換を探索する専用実験における感度とバックグラウンドの課題を評価すること。
• 近い将来の実験計画を概説すること。MEGのアップグレードおよび Mu2e と COMET の開発を含み、感度 $3\times 10^{-17}$ を目指す。
• CLFV過程の理論的および実験的枠組みを比較し、標準模型を超える新しい物理の明確な兆候としての役割を強調すること。
• $μ\to e$ 変換実験が、誤ったバックグラウンドが最小限であるため、CLFV検出における最終的な感度を達成する可能性を評価すること。

提案手法

• CLFV相互作用を記述するために次元5および次元6のオペレーターを用いた有効場理論を用い、$μ\to e\gamma$、$μ\to 3e$、$μ\to e$ 変換を共通の有効スケール $\Lambda$ で結びつける。
• 特に $μ\to e\gamma$ および $μ\to e$ 変換実験において、誤ったバックグラウンドを最小限に抑えるために、連続的およびパルス状のミューオンビームを用いる。
• MEGのインナートラッキングおよびカリメータ、Mu2eのソレノイド型スぺクトラメータに加え、電子トラッキングおよびトリガーシステムを備えた検出器で高精度なトラッキングとカリメトリーを実施する。
• Mu2e および COMET において、ミューオンをフィルタリングし、ビーム関連バックグラウンドを低減するため、曲がったトランスポートソレノイドを用いることで、信号純度を向上させる。
• 特に $μ\to e$ 変換実験において、パルスビームにおける消光係数測定を実施し、ビーム関連バックグラウンドを抑制する。
• DeeMe などの実験で、マルチワイヤープロポーショナルチェンバーおよび炭化ケイ素ターゲットを用いて、ビームラインおよび検出器の幾何学的構造を単純化し、感度を $10^{-14}$ まで向上させる。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 現在の $μ\to e\gamma$ 崩壊における実験的感度は何か。また、MEGのアップグレードによって予想される改善は何か。
• RQ2 $μ\to 3e$ および $μ\to e$ 変換実験は、バックグラウンド抑制および感度の到達範囲においてどのように比較されるか。
• RQ3 $μ\to e$ 変換が、CLFV検出における最終的な感度を達成する可能性を有する理由は何か。
• RQ4 有効場理論オペレーターは、異なるCLFV過程を結びつけ、実験設計を指針づける役割を果たすのか。
• RQ5 Mu2e および COMET 実験は、段階的なビームラインおよび検出器開発を通じて、どのように $3\times 10^{-17}$ の感度を達成しようとしているか。

主な発見

• MEG 実験は、2012年までのデータに基づき、$μ\to e\gamma$ に対して90%信頼水準で $5.7 \times 10^{-13}$ の現在の最良限界を設定した。
• COMET 実験は、第2フェーズで感度 $3 \times 10^{-17}$ を達成することを計画しており、第1フェーズでは $μ\to e$ 変換の感度 $3 \times 10^{-15}$ をターゲットとしている。
• フェルミラブの Mu2e 実験も、パルスビームおよび曲がったソレノイド輸送システムを用いることで、2020年までに感度 $3 \times 10^{-17}$ を達成すると予想されている。
• J-PARC の DeeMe 実験は、ビームラインおよび検出器の幾何学的構造を単純化することで、感度 $10^{-14}$ を達成することを目的としており、2017年以前に結果が得られる見込みである。
• $μ\to e$ 変換過程は、最終状態に電子が1個しか存在しないため、誤ったバックグラウンドが最小限に抑えられ、高感度探索に特に適している。
• 理論的推定では、$μ\to e\gamma$ の標準模型の分岐比は $\approx 10^{-51}$ であると予想されており、観測された信号はすべて新しい物理の明確な兆候である。