[論文レビュー] PIONEER: Studies of Rare Pion Decays

PIONEER Collaboration, W. Altmannshofer+59 more|arXiv (Cornell University)|Mar 3, 2022

Particle physics theoretical and experimental studies被引用数 14

ひとこと要約

PIONEERは、スイス・プロトン・インスティテュート（PSI）における次世代実験を提案し、高度なシリコンセンサーと高帯域幅の読み出し電子回路を用いて、希少なパイオン崩壊を研究する。この実験は、重い新粒子が及ぼす量子効果の精密測定を通じて、レプトンのフラバー不変性の破れや標準模型を超える新しい物理を探るのを目的としている。

ABSTRACT

A next-generation rare pion decay experiment, PIONEER, is strongly motivated by several inconsistencies between Standard Model (SM) predictions and data pointing towards the potential violation of lepton flavor universality. It will probe non-SM explanations of these anomalies through sensitivity to quantum effects of new particles even if their masses are at very high scales. Measurement of the charged-pion branching ratio to electrons vs. muons $R_{e/μ}$ is extremely sensitive to new physics effects. At present, the SM prediction for $R_{e/μ}$ is known to 1 part in $10^4$, which is 15 times more precise than the current experimental result. An experiment reaching the theoretical accuracy will test lepton flavor universality at an unprecedented level, probing mass scales up to the PeV range. Measurement of pion beta decay, $π^+ o π^0 e^+ ν(γ)$, with 3 to 10-fold improvement in sensitivity, will determine $V_{ud}$ in a theoretically pristine manner and test CKM unitarity, which is very important in light of the recently emerged tensions. In addition, various exotic rare decays involving sterile neutrinos and axions will be searched for with unprecedented sensitivity. The experiment design benefits from experience with the recent PIENU and PEN experiments at TRIUMF and the Paul Scherrer Institut (PSI). Excellent energy and time resolutions, greatly increased calorimeter depth, high-speed detector and electronics response, large solid angle coverage, and complete event reconstruction are all critical aspects of the approach. The PIONEER experiment design includes a 3$π$ sr 25 radiation length calorimeter, a segmented low gain avalanche detector stopping target, a positron tracker, and other detectors. Using intense pion beams, and state-of-the-art instrumentation and computational resources, the experiments can be performed at the PSI ring cyclotron.

研究の動機と目的

• 希少なパイオン崩壊の精密測定を通じて、レプトンのフラバー不変性における異常を調査する。
• 観測されたパイオン崩壊データの乖離を説明する標準模型を超える理論的解釈を検証する。
• 希少崩壊実験における高精度トラッキングに適した、新規のシリコンセンサ技術（ATAR、TI-LGAD）の開発と最適化を行う。
• リアルタイムで複雑な崩壊信号をデジタル化できる、高帯域幅かつ高ダイナミックレンジの読み出しチェーンを設計する。
• 既存のセンサおよび電子部品を用いて、システム全体の概念を検証するためのプロトタイプ（ATAR0）を構築・試験する。

提案手法

• PSIのリングサイクロトロンを活用し、希少崩壊研究に適した高強度パイオンビームを生成する。
• 120 µm 厚のAC-LGADおよびTI-LGADセンサを備えたカスタム設計のアクティブ・ターゲットおよびトラッキング検出器（ATAR）を実装し、高い空間分解能と時間分解能を実現する。
• TCADシミュレーションを用いてセンサ応答をモデル化し、FNALの試験ビームからのプロトタイプデータと照合して設計パrameterを最適化する。
• 最大2000のダイナミックレンジを持つ信号に対応できるよう、高速アンプチップ（例：FAST2）と高ダイナミックレンジのデジタイザを統合する。
• センサから遠隔アンプへ信号を伝えるために、5 cmの短いフレキシブルケーブルを用い、プロトタイプの検証を通じて信号整合性を確認する。
• 5〜10層の多層構造を持つATAR0プロトタイプを構築し、パイオン／ミューオンビームにおける時間的崩壊発展を研究する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 標準模型の予測からのずれを検出できる十分な精度で、希少なパイオン崩壊を測定できるか？
• RQ2 従来のLGADと比較して、TI-LGADセンサはピクセル分離性およびフィルファクターをどの程度向上できるか？
• RQ3 希少崩壊実験における高ダイナミックレンジ信号を処理する最適な電子読み出しチェーン構成は何か？
• RQ4 TCADシミュレーションは、実ビーム条件下でのプロトタイプセンサの性能をどの程度正確に予測できるか？
• RQ5 2023年後期までに、パイオン／ミューオンビームラインで動作可能なATAR0プロトタイプを構築・試験できるか？

主な発見

• TCADシミュレーションは、シミュレートされたセンサ応答と既存のFNAL試験ビームデータの間に妥当な一致を示しており、設計アプローチの妥当性が裏付けられた。
• FBKが開発したTI-LGADプロトタイプは、標準的なLGAD応答を示し、隣接ストリップ間のクロストークがわずか3%にとどまり、優れた分離性が確認された。
• 隣接ストリップに現れる最大パルス振幅は、主ストリップのピークの3%にとどまり、クロストーク低減と信号整合性の高さが裏付けられた。
• 現在のATAR0プロトタイプ設計では、2.5 cm長、500 µmピッチのAC-LGADセンサ（厚さ50 µm）を用い、BNLでのラッピングおよびCMP処理により120 µmに薄められる予定である。
• プロトタイプは、TRIUMFまたはPSIのパイオン／ミューオンビームラインで試験され、2023年末までにシステム全体の性能を検証する予定である。
• FAST2などの既存ASICの評価が進行中であり、2000のダイナミックレンジ要件を満たすために、2.5 Vの信号ヘッドルームを有するカスタムソリューションの開発も検討されている。