[論文レビュー] Mu2e-II: Muon to electron conversion with PIP-II

K. Byrum, S. Corrodi+106 more|arXiv (Cornell University)|Mar 15, 2022

Particle Detector Development and Performance被引用数 6

ひとこと要約

Mu2e-IIは、フェルミラブにおけるMu2e実験の次世代アップグレードを提案し、PIP-II加速器のアップグレードを活用して、ミューオンから電子への変換に対する感度を最低10倍向上させることを目的としている。これは、標準模型を超える新しい物理学を強力に探る手段となる。設計では、高度なビームライン、ソレノイド、トラッカー、カリメーター系を統合し、ハイブリッドモンテカルロシミュレーション（TrackToy）を用いて信号およびバックグラウンド過程をモデル化しており、フルGeant4シミュレーションとの比較を通じて、主な検出器性能指標の妥当性を検証している。

ABSTRACT

An observation of Charged Lepton Flavor Violation (CLFV) would be unambiguous evidence for physics beyond the Standard Model. The Mu2e and COMET experiments, under construction, are designed to push the sensitivity to CLFV in the mu to e conversion process to unprecedented levels. Whether conversion is observed or not, there is a strong case to be made for further improving sensitivity, or for examining the process on additional target materials. Mu2e-II is a proposed upgrade to Mu2e, with at least an additional order of magnitude in sensitivity to the conversion rate over Mu2e. The approach and challenges for this proposal are summarized. Mu2e-II may be regarded as the next logical step in a continued high-intensity muon program at FNAL.

研究の動機と目的

• ミューオンから電子への変換における電荷レプトンフラバー不変性（CLFV）の感度を顕著に向上させ、標準模型を超える物理学の重要なテストを提供すること。
• フェルミラブにおけるPIP-IIの増強されたプロトンビーム出力および向上したビームライン能力を活用して、次世代Mu2e-II実験の実現可能性を検討すること。
• 信号感度を最大化すると同時に、特にミューオンの軌道内崩壊（DIO）およびビーム関連バックグラウンドを最小限に抑えるために、最適な標的材料および検出器構成を同定すること。
• 将来の検出器最適化に向け、トラッカー応答、電子エネルギー損失、再構成効率を正確にモデル化するハイブリッドモンテカルロシミュレーションフレームワーク（TrackToy）の開発および検証を行うこと。
• 安全で効率的な施設運用を実現するため、放射線環境、ビーム遮断、シールド要件を評価すること。

提案手法

• TrackToyハイブリッドモンテカルロシミュレーションフレームワークを用いて、Mu2e-II検出器ソレノイドおよびトラッカー幾何構造の簡略化されたが正確な表現において、ミューオンの停止、電子放出、トラッキングをモデル化する。
• 非一様磁場内をヘリカル軌道で進行する電子軌道を、KinKalアルゴリズムを用いてシミュレートし、標的材料内でのミューオン停止からの電子経路を再現する。
• NIST EStarテーブルに基づくMoyal分布を用いて、停止標的およびプロトン吸収体（IPA）における電子エネルギー損失をモデル化し、多重散乱およびバックスキャッタリング効果を考慮する。
• ストロームベースの幾何構造とガウスノイズを用いた信号タイミングを用いて、可変セル密度、材料、分解能、ヒット効率を持つ中空円筒形有効体積を通過する電子軌道を伝搬させることで、トラッカー応答をシミュレートする。
• 2段階のKinKalトラックフィッティング手順を適用する：まずデジタルヒット情報（位置および時間）を用い、次に角運動量の符号に基づくドリフト時間および左右の不確実性解消による精製を行う。
• コンパクトな時間制約付きヒットとしてカリメーター信号を再構成に用い、実際の検出器性能を模倣するため、位置および時間分解能をガウスノイズを用いてモデル化する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 Mu2e-IIのミューオンから電子への変換に対する達成可能な感度はどの程度であり、ビーム出力の増加および検出器性能の向上に伴いどのようにスケーリングするか？
• RQ2 異なる標的材料が、特にミューオンの軌道内崩壊（DIO）および放射線的ミューオン捕獲バックグラウンドに関連して、信号対バックグラウンド比にどのように影響するか？
• RQ3 TrackToyシミュレーションフレームワークは、運動量分解能およびエネルギー損失といった、主な検出器性能指標について、フルGeant4シミュレーション結果をどの程度正確に再現できるか？
• RQ4 Mu2e-II構成における主要なバックグラウンドは何か、そしてビームライン設計、シールド、検出器幾何構造の最適化によってどのように低減可能か？
• RQ5 トラッカーの幾何構造、材料、分解能の変化が、全体の感度およびバックグラウンド拒否能力にどのように影響するか？

主な発見

• TrackToyシミュレーションは、ミューオンの停止率、位置、時刻について、フルGeant4シミュレーションと優れた一致を示し、検出器性能研究における高速かつ正確な代替手段としての有効性が検証された。
• TrackToyから得られる再構成運動量分解能および運動量分布は、Geant4シミュレーションと密接に一致しており、ハイブリッドシミュレーションアプローチの信頼性が確認された。
• トラッカーのシミュレーションは、MacBook Proで約100 Hzのイベント処理速度を達成しており、フルスケールのGeant4走行を伴わずに、検出器パrameterの迅速な最適化が可能である。
• NIST EStarテーブルに基づくMoyal分布を用いた標的およびプロトン吸収体（IPA）における電子エネルギー損失のモデル化は良好であり、平均値およびRMS値が表紙データと一致した。
• 磁場勾配および多重散乱を介したバックスキャッタリング効果の組み込みにより、特に後方放出電子において、エネルギー損失モデルの現実性が向上した。
• 角運動量の符号に基づく不確実性解消を含む多段階のKinKalフィット手順により、誤ったトラック再構成が著しく低減され、トラッカー系におけるバックグラウンド拒否能力が向上した。