[論文レビュー] Testing Lepton Flavor Universality and CKM Unitarity with Rare Pion Decays in the PIONEER experiment

PIONEER Collaboration, W. Altmannshofer+59 more|arXiv (Cornell University)|Mar 10, 2022

Particle physics theoretical and experimental studies被引用数 9

ひとこと要約

PIONEER実験は、液体キセノン・カルオリメータと低利得アバランチダイオード（LGAD）を用いたアクティブターゲットを備えた次世代のレアな陽子崩壊実験を提案しており、電磁的陽子の分岐比 $ R_{e/\mu} $ を $ 10^4 $ 分の1の精度で測定することを目的としている。この測定は、レプトンのフレーバー不変性とCKM行列のユニタリティを検証し、標準模型予測からのずれを通じてペブトンスケールまで及ぶ新しい物理学を探索する。

ABSTRACT

The physics motivation and the conceptual design of the PIONEER experiment, a next-generation rare pion decay experiment testing lepton flavor universality and CKM unitarity, are described. Phase I of the PIONEER experiment, which was proposed and approved at Paul Scherrer Institut, aims at measuring the charged-pion branching ratio to electrons vs.\ muons, $R_{e/μ}$, 15 times more precisely than the current experimental result, reaching the precision of the Standard Model (SM) prediction at 1 part in $10^4$. Considering several inconsistencies between the SM predictions and data pointing towards the potential violation of lepton flavor universality, the PIONEER experiment will probe non-SM explanations of these anomalies through sensitivity to quantum effects of new particles up to the PeV mass scale. The later phases of the PIONEER experiment aim at improving the experimental precision of the branching ratio of pion beta decay (BRPB), $π^+ o π^0 e^+ ν(γ)$, currently at $1.036(6) imes10^{-8}$, by a factor of three (Phase II) and an order of magnitude (Phase III). Such precise measurements of BRPB will allow for tests of CKM unitarity in light of the Cabibbo Angle Anomaly and the theoretically cleanest extraction of $|V_{ud}|$ at the 0.02\% level, comparable to the deduction from superallowed beta decays.

研究の動機と目的

• 電磁的陽子崩壊分岐比 $ R_{e/\mu} $ を $ 10^4 $ 分の1という前例のない精度で測定することで、レプトンのフレーバー不変性を検証すること。
• 標準模型を超える新しい物理学の兆候を、$ R_{e/\mu} $ のずれを通じて、ペブトンスケールの質量を持つ新しい粒子に敏感に探ること。
• 後続フェーズにおいて、パイオンベータ崩壊分岐比 $ \pi^+ \to \pi^0 e^+ \nu(\gamma) $ を0.02%レベルの精度で測定し、CKMユニタリティを検証し、$ |V_{ud}| $ を抽出すること。
• 高レート・高精度のトラッキングおよびエネルギー測定に適した、ATARセンサ、LXeカルオリメータ、SiPMベースの読み出しシステムを含む、先進的な検出器技術の開発。
• レア崩壊物理学のための新規実験プラットフォームをPSIに構築すること。これには、レアなケイオン崩壊、ミュオン実験、高エネルギー加速器実験の分野の専門知識が統合される。

提案手法

• レアな陽子崩壊における崩壊生成物の4次元高精度トラッキングを実現するため、低利得アバランチダイオード（LGAD）を用いたアクティブターゲット（ATAR）を採用する。
• 高いエネルギー分解能を有する大スルーレイジ、深さのある、高速で均一な液体キセノン（LXe）カルオリメータを用い、$ \pi^+ \to e^+ \nu $ 崩壊から生じる陽電子を検出・測定する。
• 運動量分解能と粒子識別を向上させるために、300 $\mu$m 厚のシリコンストリップまたはLGADを用いた円筒型陽電子トラッカーを実装する。
• エネルギー分解能と利得抑制機構に焦点を当て、ATARセンサプロトタイプの研究開発を実施し、$\pi E5$ および $\pi E1$ でのビームテストを実施する。
• 光子輸送シミュレーションのベンチマーク、光学セグメンテーションの最適化、フォトセンサの性能および材料特性の評価を目的として、LXeカルオリメータプロトタイプの開発とテストを実施する。
• FPGAからCPU/GPU、CPUからCPUへの光学PCI-Expressリンクのレートテストを実施し、CALOデータ用のデータ圧縮アルゴリズムの評価も行う。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 電磁的陽子分岐比 $ R_{e/\mu} $ を $ 10^4 $ 分の1の精度で測定可能であり、これによりレプトンのフレーバー不変性に対する感受性の高い検証が可能となるか？
• RQ2 $ R_{e/\mu} $ 測定の感度は、特にペブトンスケールの質量を持つ新しい粒子に起因する新しい物理学効果をどの程度検出可能か？
• RQ3 パイオンベータ崩壊分岐比 $ \pi^+ \to \pi^0 e^+ \nu(\gamma) $ を十分な精度で測定可能であり、CKMユニタリティの検証と $ |V_{ud}| $ の0.02%レベルでの抽出が可能か？
• RQ4 ATARセンサ、SiPM、LXeカルオリメータなどの検出器部品が、実験に必要な高レートビーム条件下でどの程度の性能を示すか？
• RQ5 セグメンテーション、材料、読み出し電子回路の観点から、円筒型陽電子トラッカーおよびLXeカルオリメータの最適な構成は何か？

主な発見

• PIONEER実験は、$ R_{e/\mu} $ を $ 10^4 $ 分の1の精度で測定することを目的としており、現在の実験的制限を著しく上回る。
• 実験は、新しい粒子を含む量子補正を通じて、ペブトンスケールまで及ぶレプトンのフレーバー不変性の新しい物理学的効果を探索する設計である。
• PIONEERのフェーズIは、ATARセンサやLXeカルオリメータのR&Dおよびプロトタイプテストが成功した後、2029年に開始予定である。
• プロトタイプ開発には、$\pi E5$ および $\pi E1$ でのビームテストが含まれており、2022年に2週間のビーム時間の承認が得られ、ビーム条件の妥当性を検証する。
• LXeカルオリメータのR&Dでは、McGill大学の2リットルのLXe冷温器を用いたSiPMベースのセットアップで、フォトセンサの性能および光学特性のテストが実施されている。
• 共同研究チームは、プロトタイプAPOLLOコマンドモジュールおよびトリガーとデータ取得システムのプロトタイピングに適した4チャンネルディジタイザーボードの開発を進めている。