[논문 리뷰] A submission to the 2020 update of the European Strategy for Particle Physics on behalf of the COMET, MEG, Mu2e and Mu3e collaborations

A. Baldini, D. Glenzinskí외 9명|arXiv (Cornell University)|2018. 12. 16.

Particle physics theoretical and experimental studies참고 문헌 5인용 수 23

한 줄 요약

이 논문은 PSI, 페르미랩, J-PARC에서 고강도 중성미온 비임의를 이용해 뮤온에서 전자의 전환을 통한 전하 렙톤 품질 위반(cLFV)을 탐색하는 협동 글로벌 프로그램을 제안한다. 이러한 시설들의 차세대 업그레이드를 활용함으로써 실험들은 최대 10^4 TeV/c² 수준의 감도를 확보하게 되어, 표준모형을 초월한 새로운 물리학의 발견 가능성을 열게 된다.

ABSTRACT

Charged-lepton flavour-violating (cLFV) processes offer deep probes for new physics with discovery sensitivity to a broad array of new physics models - SUSY, Higgs Doublets, Extra Dimensions, and, particularly, models explaining the neutrino mass hierarchy and the matter-antimatter asymmetry of the universe via leptogenesis. The most sensitive probes of cLFV utilize high-intensity muon beams to search for $μ ightarrow e$ transitions. We summarize the status of muon-cLFV experiments currently under construction at PSI, Fermilab, and J-PARC. These experiments offer sensitivity to effective new physics mass scales approaching O($10^4$) TeV/c$^2$. Further improvements are possible and next-generation experiments, using upgraded accelerator facilities at PSI, Fermilab, and J-PARC, could begin data taking within the next decade. In the case of discoveries at the LHC, they could distinguish among alternative models; even in the absence of direct discoveries, they could establish new physics. These experiments both complement and extend the searches at the LHC.

연구 동기 및 목표

• 표준모형을 초월한 새로운 물리학을 탐색하는 도구로, 뮤온 부문에서의 전하 렙톤 품질 위반(cLFV) 탐색을 진전시키기 위해.
• 기존 및 업그레이드된 시설에서 고강도 중성미온 비임의를 활용해 cLFV 과정의 감도를 수십 차수 이상 향상시키기 위해.
• 세 가지 홀든 채널인 μ→eγ, μ→eee, 그리고 μ→e 변환을 모두 탐색함으로써 cLFV 매개변수 공간을 종합적으로 탐색하기 위해.
• 디자인, 건설, 데이터 수집, 분석에 이르기까지 국제적인 cLFV 실험에 유럽의 참여를 강화하기 위해.
• PSI, 페르미랩, J-PARC의 향후 업그레이드를 지원하여 μ→e 전환에 대해 10^−17에서 10^−19 수준의 감도를 확보함으로써, 새로운 물리학 모델의 발견 가능성을 높이기 위해.

제안 방법

• PSI(메그, 무3e), 페르미랩(무2e), J-PARC(코멧)에서 고강도 중성미온 비임의를 이용해 세 가지 다른 붕괴 모드를 통해 μ→e 전환를 탐색한다.
• PSI(HiMB), 페르미랩(PIP-II 라인), J-PARC(증가된 프로톤 비임의 출력)에서의 비임의선 업그레이드를 통해 중성미온 비임의 강도를 10–100배 증가시킨다.
• 디폴드 조종장치와 얇은 정지 타겟을 사용하여 운동량 해상도 향상과 배경 신호 감소를 달성하기 위해 실험 장치를 설계하고 최적화한다.
• COMET 2단계와 FFAG 중성미온 저장 고리의 조합을 통해 단색이며 피온을 억제한 중성미온 비임의를 10^12 μ/s 이상으로 생산하는 PRISM 프로젝트를 탐색한다.
• 고정밀 전자 스펙트로미터와 중성미온 포획 감지기를 활용해 배경 수준 10^−12 수준에서 희귀 cLFV 신호를 식별한다.
• Phase-I 실험의 데이터를 통합하여 Phase-II 및 업그레이드된 실험(예: 무2e-II, 코멧 2단계)의 설계 및 최적화를 지원한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 PSI, 페르미랩, J-PARC에서 차세대 고강도 중성미온 비임의를 활용할 때, μ→e 전환에 대해 달성 가능한 최대 감도는 얼마인가?
• RQ2 μ→eγ, μ→eee, μ→e 변환의 상대적 비율은 초과차원, SUSY, 렙토쿼크 등 다양한 새로운 물리학 모델을 어떻게 제약하는가?
• RQ3 PSI(HiMB), 페르미랩(PIP-II), J-PARC(증가된 비임의 출력)에서의 비임의선 업그레이드가 향후 cLFV 실험의 감도 향상에 기여하는 바는 무엇인가?
• RQ4 PRISM 프로젝트는 중성미온 저장 고리와 고강도 비임의, 그리고 무거운 원소 정지 타겟을 조합함으로써 μ→e 변환에 대해 10^−19 수준의 감도를 달성할 수 있는가?
• RQ5 유럽 기관들은 설계, 건설, 분석에 지속적인 참여를 통해 차세대 cLFV 실험의 성공에 어떤 역할을 할 수 있는가?

주요 결과

• 현재의 실험들(MEG, 무3e, 무2e, 코멧)은 cLFV 감도를 10^−12에서 10^−13 수준으로 확보하여, 10^3 TeV/c² 이상의 효과적 새로운 물리 스케일을 탐색하고 있다.
• MEG, 무3e, 무2e, 코멧의 Phase-I 차세대 실험들은 감도를 최대 4개 차수 이상 향상시켜, μ→e 변환에 대해 10^−17, μ→eγ 및 μ→eee에 대해 10^−16 수준까지 도달할 것으로 예측된다.
• 페르미랩의 무2e-II 및 J-PARC의 코멧 2단계 업그레이드를 통해 PIP-II와 강화된 비임의 출력을 활용해 현재 한계 대비 감도를 10–100배 향상시킬 수 있다.
• 코멧 2단계와 FFAG 중성미온 저장 고리를 조합한 PRISM 프로젝트는 μ→e 변환에 대해 10^−19 수준의 감도를 확보할 수 있으며, 이는 무거운 원소 타겟과 새로운 물리학 연산자 연구를 가능하게 한다.
• PSI의 무3e 실험은 8 GeV 프로톤 56 kW를 사용해 230일간 운영함으로써, μ→eee에 대해 90% 신뢰수준에서 감도 10^−17을 확보할 것으로 예상된다.
• 페르미랩에 무2e-II에 대한 관심 표명서가 제출되었으며, 36개 기관에서 130명의 과학자들이 지원하고 있으며, PIP-II의 100 kW 프로톤을 활용해 무2e 대비 최소 10배 이상의 감도 향상이 예상된다.