[論文レビュー] Latest results of MEG and status of MEG-II

F. Renga|arXiv (Cornell University)|Oct 17, 2014

Particle Detector Development and Performance参考文献 2被引用数 8

ひとこと要約

本論文は、5.7×10⁻¹³の分岐比感度までに達する、μ⁺→e⁺γの希少なミューオン崩壊を探索したMEG実験の最新結果を提示している。信号は検出されなかった。また、より高い感度（4×10⁻¹⁴）を実現する予定の、改良された検出器（新規の円筒ドリフトチェンバー、SiPMベースのタイミングおよびコロニメータシステム、および強化されたデータ取得システムを含む）を備えたMEG-IIの現状と設計についても詳述している。

ABSTRACT

Within the Standard Model, in spite of neutrino oscillations, the flavor of charged leptons is conserved in very good approximation, and therefore charged Lepton Flavor Violation is expected to be unobservable. On the other hand, most new physics models predict charged Lepton Flavor Violation within the experimental reach, and processes like the $μ o e γ$ decay became standard probes for physics beyond the Standard model. The MEG experiment, at the Paul Scherrer Institute (Switzerland), searches for the $μ o e γ$ decay, down to a Branching Ratio of about $5 imes 10^{-13}$, exploiting the most intense continuous muon beam in the world and innovative detectors. In this talk I will present the latest results from MEG, and the status of its upgrade (MEG-II), aiming at an improvement of the sensitivity by one order of magnitude within this decade.

研究の動機と目的

• 標準模型を超える新しい物理を示す鍵となるプローブである、電荷を帯びたレプトンのフラバー違反（cLFV）を、μ⁺→e⁺γ崩壊において探索すること。
• 特に、超対称性などの理論的モデルが予測する観測可能な率をテストできるように、cLFV過程、特にμ→eγの実験的感度を向上させること。
• 元のMEG実験の感度より1桁高い感度を達成するため、MEG-IIを大幅にアップグレードすること。
• 高度な検出器設計とデータ解析技術により、偶然の一致や放射性崩壊に起因するバックグラウンドを低減すること。
• エネルギーキャリブレーションの精度を0.2%、トラッキングおよびタイミングの分解能を1 mm未塔に高め、信号検出を強化すること。

提案手法

• MEG実験は、PSIで約3×10⁷ μ⁺/sの連続的ミューオンビームを用い、陽電子と光子を磁場分離器と液体キセノンコロニメータで検出する。
• DRS4チップを基盤とする完全デジタルトリガーシステムが、1 GS/sで波形をデジタル化し、エネルギー、時間、位置情報に基づくリアルタイム選別を可能にする。
• 信号再構築には、陽電子エネルギー、光子エネルギー、相対時間、および投影角（ϕₑᵧ、θₑᵧ）の5つの識別変数を用い、検出器の分解能とモンテカルロシミュレーションから導出された確率密度関数（PDF）を用いる。
• 偶然バックグラウンドは、Eγ vs. Tₑᵧ平面におけるサイドバンド領域から直接データでモデル化され、放射性崩壊バックグラウンドは測定された運動学的データを用いてシミュレートされる。
• 90%信頼区間の上限を求めるために、プロファイル尤度比を用いた尤度関数フィットが行われ、角度PDFからの系統的不確実性も組み込まれる。
• MEG-IIでは、16枚の平面ドリフトチェンバーを、ステレオワイヤーとヘリウム/イソブタンガス混合ガスを用いた1つの円筒チェンバーに置き換える。これにより、材料バジェットを低減し、トラッキング効率を向上させる。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 μ⁺→e⁺γ崩壊の分岐比に対する現在の実験的上限は何か？ そして、これは新しい物理モデルをどのように制限するか？
• RQ2 偶然および放射性崩壊に起因するバックグラウンド寄与は、μ→eγ探索の感度にどのように影響するか？ また、それらをモデル化・低減するための手法は何か？
• RQ3 MEG実験の感度を1桁向上させるために、MEG-IIで必要な検出器のアップグレードは何か？
• RQ4 MEG-IIに導入される新規のSiPMベースのタイミングおよびコロニメータシステムは、元のPMTPベースの設計と比較して、時間分解能およびエネルギー分解能をどのように向上させるか？
• RQ5 MEG-IIの期待される性能（運動量、角度、エネルギー分解能）は何か？ そして、それらは最終的な感度にどのように影響するか？

主な発見

• MEG実験は、2009年から2011年までに停止したミューオン36×10¹³個を収集し、90%信頼区間の上限として5.7×10⁻¹³の分岐比を設定した。
• 全MEGデータセット（2012年～2013年データを含む）の予想感度は、より洗練された解析アルゴリズムとバックグラウンド低減技術のおかげで、5×10⁻¹³未満に達すると予想される。
• MEG-IIは、4×10⁻¹⁴の分岐比感度を達成する予定であり、これは元のMEG実験の感度より10倍高い。
• MEG-IIの新規円筒ドリフトチェンバーは、空間分解能として120 μm（径方向）および1 mm（軸方向）、運動量分解能130 keV、角度分解能5 mradを達成すると予想される。
• MEG-IIのSiPMベースのタイミングカウンターは、30 psの時間分解能を達成すると予想され、偶然の一致の拒否性能が顕著に向上する。
• SiPMを搭載したアップグレード版液体キセノンコロニメータは、エネルギー分解能を1%まで向上させ、浅いコンバージョン事象やピルアップ光子の検出を強化する。