[論文レビュー] Mu2e Technical Design Report

L. Bartoszek, E. Barnes+261 more|arXiv (Cornell University)|Jan 21, 2015

Particle Detector Development and Performance被引用数 119

ひとこと要約

Mu2e技術的設計報告書は、フェルミラブのMu2e実験の詳細な工学的・物理学的設計を提示しており、窒素標的に陽子から電子への変換を介した電荷レプトンフラバー不変性の探査を目的としている。現在の限界よりも4桁優れた感度を達成する予定であり、LHCがアクセスできない質量スケールでレプトンフラバー不変性を予測する新しい理論モデルを探索する。

ABSTRACT

The Mu2e experiment at Fermilab will search for charged lepton flavor violation via the coherent conversion process mu- N --> e- N with a sensitivity approximately four orders of magnitude better than the current world's best limits for this process. The experiment's sensitivity offers discovery potential over a wide array of new physics models and probes mass scales well beyond the reach of the LHC. We describe herein the preliminary design of the proposed Mu2e experiment. This document was created in partial fulfillment of the requirements necessary to obtain DOE CD-2 approval.

研究の動機と目的

• 核内での共鳴的ミューオンから電子への変換を介した電荷レプトンフラバー不変性（CLFV）を検出する高感度実験の設計。
• μ⁻N → e⁻N過程について、現在の世界最高の限界よりも約4桁優れた感度を達成すること。
• 重い中性レプトンクォーク、Z′ボソン、または超対称粒子を含む、レプトンフラバー不変性を予測する新しい理論モデルを探査すること。
• 米国エネルギー省（DOE）のCD-2承認に必要な技術的・科学的要件を満たし、提案された実験の実現可能性と性能を保証すること。
• 宇宙線やバックグラウンドを低減し、高度な粒子識別およびトラッキング技術を用いて、まれな電子信号を識別できる検出器システムを構築すること。

提案手法

• フェルミラブで8×10^13個のミューオン/秒を100%のドゥーティファクターで標的に照射する高強度ミューオンビームラインの設計。
• サブパーミルの分解能で電子の運動量と軌道を測定できる高精度なソレノイド型磁気スペクトロメータの実装。
• 共鳴的変換信号を最大化し、非共鳴的プロセスによるバックグラウンドを最小限に抑えるために、低バックグラウンドで高純度の液体窒素標的に使用。
• トランジション放射線検出器とカリメータを組み合わせた二段階の粒子識別システムを採用し、電子とパイオニウムや他のバックグラウンド粒子を区別。
• 宇宙線やビーム関連のバックグラウンドを抑制するために、主頂点の特定と高度なトラッキングおよびバーテックス再構築アルゴリズムの適用。
• 全運動量領域にわたり信号対バックグラウンド比を予測・最適化するため、詳細なモンテカルロシミュレーションとバックグラウンドモデリングの適用。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 提案されたMu2e検出器構成を用いた共鳴的μ⁻N → e⁻N変換過程の最大達成感度は何か？
• RQ2 パイオニウムの誤識別、宇宙線、ビーム関連プロセスに起因するバックグラウンド寄与をどのように低減すれば、必要な信号対バックグラウンド比を達成できるか？
• RQ3 高強度・低バックグラウンドのミューオンビームラインおよびスペクトロメータシステムを構築する上での主な技術的・工学的課題は何か？
• RQ4 検出器性能は、標準模型を超える新しい理論モデルを探査するための必要感度を満たしているか？
• RQ5 測定における主要な系統的不確実性の要因は何か、そしてそれらを設計とキャリブレーションによってどのように制御できるか？

主な発見

• Mu2e実験は、μ⁻N → e⁻N変換過程に対して約6×10⁻¹-eightの感度を達成するように設計されており、現在の最高限界よりも4桁優れている。
• 検出器システムは、電子の運動量分解能が0.2%未満であると予想されており、正確な運動量再構築とバックグラウンド抑制を可能にする。
• バックグラウンドは宇宙線とビーム関連プロセスが支配的であり、信号領域における年間総バックグラウンド率は0.1件未満と予想される。
• 高純度・低密度の液体窒素標的にすることで、共鳴的対非共鳴的変換比が高まり、信号収量が向上する。
• モンテカルロシミュレーションにより、粒子識別システムがパイオニウムバックグラウンドを10⁶倍の要因で抑制でき、効果的な信号分離が可能であることが確認された。
• 技術的設計は、広範なシミュレーションと工学的調査を通じて検証され、DOEのCD-2承認要件を満たしている。