[論文レビュー] The Mu2e Experiment at Fermilab

R. Kutschke|arXiv (Cornell University)|Dec 1, 2011

Particle physics theoretical and experimental studies被引用数 7

ひとこと要約

FermilabのMu2e実験は、原子核のクーロン場内でのニュートリノを伴わないミュオンから電子への変換を探索するもので、90%信頼水準で感度 $ R_{\text{μe}} < 6.0 \times 10^{-17} $ を目指している。低バックグラウンドで正確にタイミングされたミュオンビームと、高い運動量分解能を持つ磁気スペクトロメータを用い、ミュオンが原子中に捕獲された状態での崩壊の高エネルギー尾部から、単エネルギーの電子信号を分離可能であり、10,000 TeVまでの新しい物理現象の感度が得られる。

ABSTRACT

The Mu2e collaboration has proposed an experiment to search for the coherent, neutrino-less conversion of a muon into an electron in the Coulomb field of a nucleus with an expected sensitivity of $R_{μe}&lt;6.0 imes 10^{-17}$, at the 90% confidence level. Mu2e has received CD-0 approval from the US Department of Energy. If all resources are made available as required, the experiment could begin taking data as early as 2018.

研究の動機と目的

• 原子核のクーロン場内での電荷レプトンフラバー不変のミュオンから電子への変換を探索すること。これは標準模型では禁止されているが、多くの新しい物理のシナリオで予測されている。
• 90%信頼水準で $ R_{\text{μe}} < 6.0 \times 10^{-17} $ の感度を達成し、以前のSINDRUMの限界を10,000倍以上改善すること。
• LHCの到達範囲を超えて、約10,000 TeVまでの新しい物理スケールを探索すること。
• 高精度な運動量測定と正確にタイミングされたデータ取得ウィンドウを用いて、ミュオンが原子中に捕獲された状態での崩壊（DIO）の連続的エネルギー分布から、単エネルギーの電子信号を区別すること。

提案手法

• 陽子ビームによる衝突により低運動量の負ミュオンビームが生成され、薄いアルミニウム箔からなる停止標的に輸送され、ミュオンがミュオン原子を形成する。
• 検出器ソレノイドで1.0 Tの磁場を発生させ、変換電子をガイド・フォーカスする。精密トラッカーにより、運動量を1,000分の1の精度で測定可能である。
• 横方向運動量 $ p_T > 90\, \text{MeV}/c $ を有する電子が再構成され、ミュオンが原子中に捕獲された状態での崩壊（DIO）の高エネルギー尾部のみが測定され、低 $ p_T $ のDIO電子は除外される。
• 各陽子ビームパルスの770 ns後に、$ \pi^{-} $ や $ e^{-} $ からの即時バックグラウンド（例えば）が崩壊するのを待つためのデッドタイムを設ける。
• ビーム遮断要件 $ 10^{-10} $ により、時間外の陽子が最小限に抑えられ、ビームハロー相互作用に起因する二次的バックグラウンドが低減される。
• バックグラウンドはモデル化され、$ 3.6 \times 10^{20} $ 個の陽子を標的に照射した場合、合計で $ 0.17 \pm 0.007 $ イベントと推定される。主な寄与は、誤測定されたDIO電子と放射的 $ \pi^{-} $ 捕獲である。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 Mu2e実験の、ミュオンから電子への変換率 $ R_{\text{μe}} $（ミュオンから電子への変換率とミュオン捕獲率の比）に対する感度は何か？
• RQ2 実験は、ミュオンが原子中に捕獲された状態での崩壊（DIO）の連続的エネルギー分布から、ミュオンから電子への変換の単エネルギー信号をどのように区別するか？
• RQ3 信号領域の期待されるバックグラウンドレベルは何か？ そして、タイミング、磁気フォーカス、運動量分解能によってどのように抑制されるか？
• RQ4 $ R_{\text{μe}} $ を $ 10^{-17} $ 水準で観測することで、どのくらいの新しい物理スケールを探索できるか？ また、これは直接的なLHC探索と比べてどう異なるか？
• RQ5 ビーム遮断と磁気ミラー幾何学的配置を含む実験設計は、即時バックグラウンドからの誤信号をどのように最小限に抑えるか？

主な発見

• Mu2e実験は、$ 3.6 \times 10^{20} $ 個の陽子を標的に照射することで、90%信頼水準で $ R_{\text{μe}} < 6.0 \times 10^{-17} $ の感度を達成するように設計されている。
• 信号率が $ R_{\text{μe}} = 10^{-15} $ の場合、実験では背景が0.2未満の状況で約40件の信号イベントを観測すると予想される。
• 主なバックグラウンド源は、誤測定されたDIO電子（0.009 ± 0.006 イベント）、放射的 $ \pi^{-} $ 捕獲（0.04 ± 0.02 イベント）、飛行中ミュオン崩壊（0.034 ± 0.017 イベント）、および宇宙線誘発バックグラウンド（0.025 ± 0.025 イベント）である。
• 合計で推定されるバックグラウンドは、$ 3.6 \times 10^{20} $ 個の陽子を標的に照射した場合、$ 0.17 \pm 0.007 $ イベントであり、希少崩壊やビーム関連バックグラウンドを含む9つのプロセスからの寄与がある。
• 実験の磁気トラッキングシステムにより、$ p_T > 90\, \text{MeV}/c $ の電子のみが再構成され、DIOスペクトルの大部分が効果的に除外され、高エネルギー尾部が明確に分離される。
• ビーム遮断要件 $ 10^{-10} $ は、はみ出し陽子に起因する時間外バックグラウンドを抑制するために極めて重要である。