[論文レビュー] Research Proposal for an Experiment to Search for the Decay μ -> eee

A. Blondel, A. Bravar+23 more|arXiv (Cornell University)|Jan 25, 2013

Particle physics theoretical and experimental studies参考文献 60被引用数 136

ひとこと要約

本論文は、10¹⁶分の1の感度で、レプトンフレーバー非保存の崩壊μ⁺ → e⁺e⁻e⁺を探索するMu3e実験を提案している。高精度なシリコンピクセル検出器（HV-MAPS）と、SiPMを用いたシンチレーティングファイバー・ホドスコープによる時間測定を採用することで、高い空間分解能および時間分解能を実現し、バックグラウンドを抑制する。これにより、標準模型を超える新しい物理学の探査に、前例のない感度を達成する。

ABSTRACT

We propose an experiment (Mu3e) to search for the lepton flavour violating decay mu+ -> e+e-e+. We aim for an ultimate sensitivity of one in 10^16 mu-decays, four orders of magnitude better than previous searches. This sensitivity is made possible by exploiting modern silicon pixel detectors providing high spatial resolution and hodoscopes using scintillating fibres and tiles providing precise timing information at high particle rates.

研究の動機と目的

• 標準模型で禁じられているレプトンフレーバー非保存崩壊μ⁺ → e⁺e⁻e⁺を探索すること。
• 10¹⁶分の1のミューオン崩壊感度を達成し、過去の探索より4桁優れた感度を実現すること。
• レプトンフレーバー非保存を予測する、標準模型を超える理論モデルを検証すること。
• 高密度のピクセルトラッキングと正確な時間測定を組み合わせた、革新的な検出器システムの開発と導入により、主要なバックグラウンドを抑制すること。
• PSIの既存および将来の高強度ミューオンビームを活用した段階的実験計画を確立すること。

提案手法

• 中央トラッカーにおいて、高空間分解能と低材料バジェットを実現するため、高電圧モノリシックアクティブピクセルセンサ（HV-MAPS）を採用する。
• 電子同定のため、シリコンフォトマルチプライヤ（SiPM）を用いたシンチレーティングファイバー・ホドスコープを導入し、正確な飛行時間（TOF）情報を得る。
• 複数散乱環境下でも高分解能でミューオン運動量を測定するため、リカールャーを用いる。
• GEANT4シミュレーションに時間構造モデルを統合し、検出器応答およびバックグラウンド過程を正確にモデル化する。
• 1秒間に10⁸個のミューオンを処理できる、オンラインイベントフィルタリングおよび高帯域幅のデータ取得システムを導入する。
• 高度なトラック再構築および頂点フィッティングアルゴリズムを適用し、3電子最終状態を特定するとともに、組み合わせ的バックグラウンドを抑制する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 高強度ミューオンビームラインにおける次世代検出器を用いた場合、希少崩壊μ⁺ → e⁺e⁻e⁺を検出する感度の閾値は何か？
• RQ2 HV-MAPSと飛行時間ホドスコープを組み合わせることで、内部コンバージョンを伴うμ → eeeνν̄の主要なバックグラウンドはどの程度効果的に抑制できるか？
• RQ3 運動量分解能と信号受容率を最大化し、多重散乱を最小限に抑えるために最適な検出器幾何形状と材料バジェットは何か？
• RQ4 ピクセル検出器とファイバー検出器の空間分解能と時間分解能を併用した場合、偶然的バックグラウンドの抑制にどのような影響を与えるか？
• RQ5 1秒間に10⁹個以上のμ⁺を有する高強度ビームラインへのスケーリングに伴う技術的およびコスト上の影響は何か？

主な発見

• Mu3e実験は、90%信頼水準でB(μ⁺ → e⁺e⁻e⁺) < 10⁻¹⁶の感度を達成することを目標としており、これは過去の限界値より4桁優れたものである。
• 既存のビームライン（1秒間に約10⁸個のμ⁺）を用いる第1フェーズでは、感度が約10⁻¹⁵に達し、過去の探索より3桁優れた感度を達成する。
• HV-MAPSの使用により、高グレインularityと低材料バジェットを実現でき、高密度環境下での高精度なトラッキングおよび頂点再構築に不可欠である。
• ピクセルトラッキングと飛行時間測定の組み合わせにより、偶然的バックグラウンドが10⁻¹⁶の感度閾値以下にまで低下する。
• リカールャーと二重層ピクセル検出器を含む検出器設計は、信号と主要なμ → eeeνν̄バックグラウンドを区別するのに十分な運動量分解能を達成するように最適化されている。
• 第1フェーズの費用見積もりは約1910 KCHF（マグネットはハイデルベルクから借用）であり、第2フェーズの費用は約1460 KCHF（ビームラインの利用可能性に依存）と見積もられている。