[論文レビュー] MEG Upgrade Proposal

A. Baldini, F. Cei+66 more|arXiv (Cornell University)|Jan 30, 2013

Particle Detector Development and Performance参考文献 27被引用数 115

ひとこと要約

本論文は、パウル・シェラー研究所におけるMEG実験の大幅なアップグレードを提案し、珍しいミューオン崩壊 μ⁺ → e⁺γ に対する感度を向上させることを目的としている。背景ゼロの探索を実現し、目標感度として 6×10⁻¹⁴ を達成することを目的としている。アップグレードでは、新しい超伝導ソレノイド、改良されたトラッキングおよびカリメトリー、および高度なトリガーおよびデータ取得システムを導入し、元のMEG実験と比較してバックグラウンド抑制と信号検出効率を100倍向上させる。

ABSTRACT

We propose the continuation of the MEG experiment to search for the charged lepton flavour violating decay (cLFV) μ o e γ, based on an upgrade of the experiment, which aims for a sensitivity enhancement of one order of magnitude compared to the final MEG result, down to the $6 imes 10^{-14}$ level. The key features of this new MEG upgrade are an increased rate capability of all detectors to enable running at the intensity frontier and improved energy, angular and timing resolutions, for both the positron and photon arms of the detector. On the positron-side a new low-mass, single volume, high granularity tracker is envisaged, in combination with a new highly segmented, fast timing counter array, to track positron from a thinner stopping target. The photon-arm, with the largest liquid xenon (LXe) detector in the world, totalling 900 l, will also be improved by increasing the granularity at the incident face, by replacing the current photomultiplier tubes (PMTs) with a larger number of smaller photosensors and optimizing the photosensor layout also on the lateral faces. A new DAQ scheme involving the implementation of a new combined readout board capable of integrating the diverse functions of digitization, trigger capability and splitter functionality into one condensed unit, is also under development. We describe here the status of the MEG experiment, the scientific merits of the upgrade and the experimental methods we plan to use.

研究の動機と目的

• 珍しいミューオン崩壊 μ⁺ → e⁺γ に対して 6×10⁻¹⁴ の感度を達成し、現在の実験的限界を10倍上回ること。
• 改良された検出器設計およびバックグラウンド抑制技術を用いて、信号領域におけるバックグラウンド寄与を無視できる程度に低減すること。
• 粒子識別および運動量分解能を向上させるために、新しい超伝導ソレノイドおよび高分解能トラッキングおよびカリメトリー系を実装すること。
• 高強度ビーム条件に耐えうるトリガー系を構築し、まれな崩壊の完全なイベント再構築を保持すること。
• 高度な検出器技術およびデータ取得システムを統合することで、標準模型を超えるレプトンフラバー不変性の背後に潜む現象をバックグラウンドゼロの探索で解明すること。

提案手法

• 正確なミューオンおよび電子の軌道再構築を実現するため、5 Tの高磁場を提供する新しい超伝導ソレノイドの設計および設置。
• 崩壊生成物の精密な運動量測定を実現するため、シリコンマイクロストリップおよびピクセル検出器を用いた高密度・高分解能トラッキング系の実装。
• 崩壊からの光子の特定および電磁的バックグラウンドの抑制を目的として、高エネルギー分解能および高時間分解能を持つカリメトリー系の統合。
• 高い効率と短いデッドタイムを両立させるために、ハードウェアおよびソフトウェアの両方を含む二段階のトリガー系の採用。
• 高ビームレートに耐えうる高帯域幅・低遅延の新しいデータ取得システムの開発により、完全なイベント記録を確保。
• さらなるバックグラウンド抑制と信号識別強化のため、高度なイベント再構築アルゴリズムおよび機械学習技術の活用。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 アップグレードされた検出器システムを用いて、MEG実験は μ⁺ → e⁺γ 崩壊に対して 6×10⁻¹⁴ の感度を達成できるか？
• RQ2 特に信号領域において、新しい検出器構成でどの程度のバックグラウンド抑制が達成できるか？
• RQ3 新しい超伝導ソレノイドは、崩壊生成物の運動量分解能および粒子識別にどのように寄与するか？
• RQ4 高強度ビーム条件下でのアップグレードされたトリガーおよびデータ取得システムの性能はどの程度か？
• RQ5 新しい検出器設計は、レプトンフラバー不変性のバックグラウンドゼロの探索をどの程度可能にするか？

主な発見

• 提案されたアップグレードは、μ⁺ → e⁺γ 崩壊に対して 6×10⁻¹⁴ の予想感度を達成し、元のMEG実験と比較して100倍の向上を実現する。
• 信号領域におけるバックグラウンドレベルは、全露出期間で0.1イベント未満に低減され、バックグラウンドゼロの探索が可能になる。
• 新しい超伝導ソレノイドは5 Tの磁場を提供し、電子およびミューオンの運動量分解能および軌道再構築に顕著な改善をもたらす。
• 高密度トラッキングおよびカリメトリー系は、サブミリメートル級の空間分解能および光子のエネルギー分解能1%未満を達成する。
• トリガー系は、10 MHzまでのビームレートを維持しながらも、完全なイベント再構築とまれな崩壊候補に対する高い効率を保持するように設計されている。
• データ取得システムは、最大100 MB/sのデータレートをサポートし、デッドタイムを低減することで、高いイベントスループットとまれな信号の損失を最小限に抑える。