[論文レビュー] Science Case for the new High-Intensity Muon Beams HIMB at PSI

M. Aiba, A. Amato+34 more|arXiv (Cornell University)|Nov 10, 2021

Muon and positron interactions and applications参考文献 301被引用数 24

ひとこと要約

本論文は、パウル・シュレーディンガー研究所（PSI）に、現在の施設と比較して最大100倍の表面ミューオン強度を提供する高強度ミューオンビーム施設（HIMB）の構想を提示している。このアップグレードにより、フラーバー物理学、標準模型の高精度テスト、および凝縮系における高度なミューオンスピン分光法の分野で画期的な実験が可能となり、新規ピクセル検出器とビーム冷却技術を活用して、前例のない感度と空間分解能を達成する。

ABSTRACT

In April 2021, scientists active in muon physics met to discuss and work out the physics case for the new High-Intensity Muon Beams (HIMB) project at PSI that could deliver of order $10^{10}$\,s$^{-1}$ surface muons to experiments. Ideas and concrete proposals were further substantiated over the following months and assembled in the present document. The high intensities will allow for completely new experiments with considerable discovery potential and unique sensitivities. The physics case is outstanding and extremely rich, ranging from fundamental particle physics via chemistry to condensed matter research and applications in energy research and elemental analysis. In all these fields, HIMB will ensure that the facilities S$μ$S and CHRISP on PSI's High Intensity Proton Accelerator complex HIPA remain world-leading, despite the competition of muon facilities elsewhere.

研究の動機と目的

• 粒子物理学および凝縮系物理学におけるミューオンを用いた実験の感度と範囲を顕著に向上させるために、PSIに新たな高強度ミューオンビーム施設（HIMB）を確立すること。
• ミューオンスピン回転（μSR）およびレプトンフラバー違反探索における高精度測定を妨げる現在のミューオンビーム強度および空間分解能の限界を克服すること。
• より速く、空間的に分解能の高い、および深さプロファイル測定が可能な小規模な試料に対する測定を可能にするために、材料科学分野における新たな実験的能力を提供すること。
• 電荷を帯びたレプトンフラバー違反（cLFV）、電気双極子モーメント（EDM）、異常磁気モーメント（g-2）測定といったフロントランナー実験を、統計的精度を向上させるとともに系統的不確実性を低減して支援すること。
• 特に薄型で高レート対応のピクセル検出器（DMAPSおよびHVMAPSを含む）といった先端的検出技術を実験装置に統合し、検出効率と分解能を最大化すること。

提案手法

• 現在のビームと比較して最大2桁の高出力となるように、PSIに新たな高強度プロトン加速器（HIPA）を導入し、ミューオンを生成すること。
• ビームエミッタンスを低減し、高精度実験に適したビーム品質を向上させるために、高度なミューオンビーム冷却技術を活用すること。
• 試料冷凍器の周囲に二重シリンダーディテクターゲオメトリを採用し、ミューオンの軌道および陽電子崩壊頂点を追跡するために、モノリシックアクティブピクセルセンサ（MAPS）、特にDMAPSおよびHVMAPSを統合すること。
• 34モジュールで構成され、総有効面積が136 cm²のプロトタイプピクセル検出器を設計し、多重散乱を低減するために最小限の材料を用いた50 μm厚のDMAPSチップを採用すること。
• モンテカルロ（MC）技術を用いてミューオン輸送および検出器応答をシミュレーションし、受容性と空間分解能を最適化する。27 MeVミューオンに対して56%の受容性を達成した。
• 多重散乱効果を低減するために、センサの薄型化を検討し、50 μmから30 μmにまで薄くすることで、空間分解能を0.65 mmから0.50 mm未満に向上させること。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 PSIにおけるミューオンビーム強度が100倍に向上することで、電荷を帯びたレプトンフラバー違反および電気双極子モーメント探索においてどのような新発見が可能になるか？
• RQ2 薄型で高レート対応のピクセル検出器（例：DMAPS）は、ミューオンスピン分光法実験における空間的・時間的分解能をどの程度向上させ得るか？
• RQ3 検出器に使用する材料を最小限に抑え、薄型センサを用いることで、ミューオン崩壊頂点再構築における実現可能な空間分解能はどの程度か？
• RQ4 高電圧モノリシックピクセルセンサ（HVMAPS）の統合は、低エネルギーミューオン実験の性能をどのように向上させるか？
• RQ5 高強度ミューオンビームと向上した検出器分解能を備えた施設により、材料科学および凝縮系物理学分野でどのような新たな実験的能力が得られるか？

主な発見

• 提案されるPSIのHIMB施設は、現在の施設と比較して最大100倍の表面ミューオン強度を提供し、高精度実験の新世代を可能にする。
• プロトタイプピクセル検出器は、平均運動量27 MeVの100,000個のシミュレートミューオンに対して56%の受容性を達成し、低エネルギーミューオン実験において優れた性能を示している。
• センサ厚さ50 μmの場合、多重散乱によって空間分解能は0.65 mmに制限されるが、30 μmのセンサを用いることで0.50 mm未満に向上させられる。
• Mu3e実験で使用されたDMAPSチップの使用により、高レートかつ低材料のミューオンおよび陽電子のトラッキングが可能となり、μSRにおける頂点再構築に不可欠である。
• 二重シリンダーピクセル検出器の設計により、複数の試料を同時に測定可能であり、複雑な材料における磁気ドメインの分離が可能である。
• 施設は、cLFV、EDM、g-2の探索を含む、フラーバー物理学分野の長期的フロントランナーレポート実験を支援する。標準模型を超える発見の可能性を秘めている。