[論文レビュー] Snowmass2021 Whitepaper: Muonium to antimuonium conversion

Ai-Yu Bai, Yu Chen+22 more|arXiv (Cornell University)|Mar 22, 2022

Muon and positron interactions and applications被引用数 4

ひとこと要約

本論文は、標準模型を超える新しい物理学を示す、まれな電荷を帯びたレプトンのフレーバー不変換過程であるミュオン原子から反ミュオン原子への変換を探索するMACE実験を提案する。高強度ミュオンビーム、磁場分離器、および高度なトラッキングと時間測定技術を活用することで、MACEは現在のPSI実験の上限である$8.3 \times 10^{-11}$（90%信頼水準）をさらに2桁以上上回る感度を達成することを目的としている。

ABSTRACT

The spontaneous muonium to antimuonium conversion is one of the interesting charged lepton flavor violation processes. It serves as a clear indication of new physics and plays an important role in constraining the parameter space beyond Standard Model. MACE is a proposed experiment to probe such a phenomenon and expected to enhance the sensitivity to the conversion probability by more than two orders of magnitude from the current best upper constraint obtained by the PSI experiment two decades ago. Recent developments in the theoretical and experimental aspects to search for such a rare process are summarized.

研究の動機と目的

• 電荷を帯びたレプトンのフレーバー不変換（cLFV）を、標準模型を超える新しい物理学の明確な兆候である、まれなミュオン原子から反ミュオン原子への変換過程を通じて探索すること。
• 特にタイプIIおよびハイブリッドシー・スイッチモデルに関連する、ニュートリノ質量生成の未解決問題を、シー・スイッチ機構と関連するcLFV過程を調べることで探求すること。
• ミュオン原子から反ミュオン原子への変換に対する感度を、現在の実験的限界を2桁以上上回るレベルまで著しく向上させること。
• 高精度な実験の概念的設計を開発すること。具体的には、強力なスロー・ミュオンビーム、最適化された磁場分離器、および高度なバックグラウンド識別技術を用いること。
• シミュレーションによる検出器応答の評価、信号の識別最適化、および宇宙線や標準模型のまれな過程に起因するバックグラウンドの低減を通じて、この稀な過程の検出可能性を評価すること。

提案手法

• 真空中での高効率なミュオン原子生成過程を用い、スロー・ミュオンビームを用いてミュオン原子を生成する。
• 磁場分離器を用いて、ミュオン崩壊および反ミュオン原子の消失から生じる荷電粒子を検出・同定し、正確な運動量および符号再構成を可能にする。
• 高精度な時間測定および位置再構成を実施し、飛行時間測定を用いて信号イベントとバックグラウンドを区別するための相互作用頂点を特定する。
• 高度なトラッキングアルゴリズムと洗練されたフィギュア・オブ・マリットを用いて、物理的感度を最適化し、信号イベントとバックグラウンド源を区別する。
• モンテカルロシミュレーションを用いて、検出器応答（特にマイクロチャネルプレート（MCP）における二次電子放出を含む）をモデル化し、理論的モデルと照合する。
• 二重信号識別戦略を適用する：ミュオン崩壊からの高エネルギー電子と、反ミュオン原子消失時の原子殻からの陽電子を検出することで、変換イベントを確認する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 予測される極めてまれさを考慮した場合、現在および次世代の実験技術でミュオン原子から反ミュオン原子への変換過程が観測可能かどうか。
• RQ2 提案されたMACE実験が、ミュオン原子から反ミュオン原子への変換確率をどの程度まで高感度で探査できるか。
• RQ3 三体崩壊$\mu^+ \to e^+ \nu_e \bar{\nu}_\mu$に加えて$e^+e^-$ペアを伴うような、標準模型のまれな過程が、信号領域におけるバックグラウンドにどのように寄与するか。
• RQ4 検出器のエネルギー分解能および時間分解能が、稀な崩壊における連続的エネルギースペクトルに起因する内在的バックグラウンドをどの程度抑制できるか。
• RQ5 磁場分離測定、飛行時間、および頂点再構成の組み合わせが、宇宙線およびビーム関連のバックグラウンドから信号イベントを効果的に識別できるか。

主な発見

• 現在のミュオン原子から反ミュオン原子への変換確率に対する実験的上限は、1999年にPSI実験が設定した$P \lesssim 8.3 \times 10^{-11}$（90%信頼水準）であり、20年以上にわたり挑戦を受けていない。
• MACE実験は、ミュオン原子から反ミュオン原子への変換確率に対する感度を2桁以上上回るよう設計されており、$10^{-13}$レベルまたはそれ以上の感度を達成することが期待される。
• 初期のモンテカルロシミュレーションから、飛行時間および磁場分離器内での最近接距離を用いた最適化により、信号イベントとバックグラウンドを検出器システムで区別できることが示唆されている。
• MCPにおける二次電子放出の検出器応答は、理論的モデルと良好に一致しており、わずかな系統的ずれを除いて、高精度な信号検出の可能性を支持している。
• エネルギー分解能により抑制可能であり、さらにイベント再構成によっても緩和可能な、$\mu^+ \to e^+ \nu_e \bar{\nu}_\mu e^+ e^-$のような標準模型のまれな過程からのバックグラウンド（分岐比$(3.4 \pm 0.4) \times 10^{-5}$）は、予想される。
• 理論的モデル、特にタイプIIおよびハイブリッドシー・スイッチのシナリオでは、二重電荷を帯びたヒッグスボソンが、樹形レベルでミュオン原子から反ミュオン原子への変換を媒介すると予測されており、この探査の強い動機付けとなっている。