[論文レビュー] Searching for the mu into e gamma decay with MEG and MEG-II

G. Cavoto|arXiv (Cornell University)|Jul 31, 2014

Particle Detector Development and Performance参考文献 1被引用数 3

ひとこと要約

本論文は、PSIにおける3.6 × 10¹⁴個の停止ミューオンを用いて、珍しいレプトンフラバー違反崩壊μ⁺ → e⁺γの分岐率に対する世界最高の上限値5.7 × 10⁻¹³を提示している。MEG-IIのアップグレードでは、検出器の分解能を向上させ、バックグラウンドを低減することで、3年以内に5 × 10⁻¹⁴の感度に到達すると予想されており、標準模型を超える新しい物理の探求が顕著に前進する。

ABSTRACT

The MEG collaboration searches for the mu to e gamma decay at the muon beam line PiE5 of the Paul Scherrer Institut in Switzerland. The world best upper limit has been set to be BR(mu to e gamma) < 5.7 10^-13 at 90% C.L. analyzing a data set of 3.6 10^14 stopped muons on target. An upgrade program of the detector (MEG-II) should lead to a sensitivity at a level of few 10^-14 within the next five years.

研究の動機と目的

• 標準模型を超える新しい物理を探索するためのプローブとして、レプトンフラバー違反崩壊μ⁺ → e⁺γの探索を目的とする。
• バックグラウンド寄与を低減し、検出器分解能を向上させることで、μ⁺ → e⁺γへの実験的感度を向上させることを目的とする。
• MEG実験のデータを用いて、μ⁺ → e⁺γの分岐率に対する新たな世界最高の上限値を設定することを目的とする。
• 新しい物理モデルのより深い探査を可能にするために、感度約5 × 10⁻¹⁴を達成するMEG-IIアップグレードの開発および実装を目的とする。
• 陽電子および光子の再構築、タイミング、検出器の細分化を改善することで、主な誤った一致バックグラウンドを低減することを目的とする。

提案手法

• PSIのπE5ビームラインで連続的な正ミューオンビームを用い、薄い標的に1秒あたり3 × 10⁷個のμ⁺が停止した。
• 勾配磁場を有するスペンサーや低質量のドリフトチェンバーを用いて陽電子の軌跡を追跡し、高運動量の軌跡を高速なシンチレーションアレイに誘導してタイミングを測定した。
• 900リットルの液体キセノンカルリメータにPMTを組み合わせ、約60％の光子検出効率を達成した。
• バックグラウンドと信号のPDFが最終化されるまで信号領域をマスキングするブラインド解析手順を適用し、サイドバンドを用いてバックグラウンド推定を行った。
• 定義された解析領域で最尤推定を実行した：48 < Eγ < 58 MeV、50 < Ee < 56 MeV、|teγ| < 0.7 ns、|θeγ| < 50 mrad、|φeγ| < 50 mrad。
• 信号PDFのキャリブレーションには、π⁰崩壊（Eγ用）、ミケルスペクトルフィット（Ee用）、RMDイベント（teγ用）を用い、角度分解能のための専用サンプルを用意した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 μ⁺ → e⁺γ崩壊の分岐率に対する現在の世界最高の上限値は何か？
• RQ2 MEG実験は、陽電子と光子の一致による主な誤った一致バックグラウンドをどのように低減しているか？
• RQ3 MEG-II実験で5 × 10⁻¹⁴の感度を達成するには、検出器分解能および設計にどのような改善が必要か？
• RQ4 MEG-IIアップグレードは、ミューオン停止率と検出器分解能の二乗に比例する誤った一致バックグラウンドをどのように低減しているか？
• RQ5 MEG-II検出器の向上した陽電子追跡、タイミング、光子再構築は、μ⁺ → e⁺γへの感度をどの程度向上させるか？

主な発見

• MEG実験は、3.6 × 10¹⁴個の停止ミューオンを用いて、90％信頼水準でμ⁺ → e⁺γの分岐率に対する世界最高の上限値5.7 × 10⁻¹³を設定した。
• 現在のMEG検出器の感度は7.7 × 10⁻¹³と推定されており、完全なデータセットからの最終結果は5.0 × 10⁻¹³に達すると予想される。
• MEG-IIは、3年間の通常運用によるデータ取得後に5.0 × 10⁻¹⁴の感度に到達すると予想されており、ミューオン停止率は7 × 10⁷ μ⁺/sを想定している。
• MEG-IIアップグレードには、1200セルを有する2m長の単一ボリュームドリフトチェンバーが含まれ、コア部での陽電子追跡分解能が1.6 mm（Z）および0.7 mm（Y）に向上する。
• 陽電子タイミング分解能は122 psから84 psに向上すると予想され、光子エネルギー分解能は2 cm未満では1.1％、2 cm以上では1.0％に低下する。
• 陽電子検出効率はMEGの40％からMEG-IIで88％に向上し、セグメンテッドシンチレーションタイルとSiPMリードアウトを用いたタイミングおよび再構築の改善が図られている。