[논문 리뷰] MEG Upgrade Proposal

A. Baldini, F. Cei외 66명|arXiv (Cornell University)|2013. 01. 30.

Particle Detector Development and Performance참고 문헌 27인용 수 115

한 줄 요약

이 논문은 파울 슈레링 연구소의 MEG 실험을 대규모로 업그레이드하여 희귀 뮤온 붕괴 μ⁺ → e⁺γ에 대한 감도를 향상시키는 것을 제안한다. 배경이 없는 검색을 실현하고 목표 감도 6×10⁻¹⁴을 달성하고자 한다. 업그레이드에는 새로운 초전도 솔레노이드, 향상된 트래킹 및 칼로리메터, 고도화된 트리거 및 데이터 수집 시스템이 포함되어 있으며, 원래 MEG 실험 대비 배경 억제 능력과 신호 탐지 효율성을 100배 향상시키는 데 목적이 있다.

ABSTRACT

We propose the continuation of the MEG experiment to search for the charged lepton flavour violating decay (cLFV) μ o e γ, based on an upgrade of the experiment, which aims for a sensitivity enhancement of one order of magnitude compared to the final MEG result, down to the $6 imes 10^{-14}$ level. The key features of this new MEG upgrade are an increased rate capability of all detectors to enable running at the intensity frontier and improved energy, angular and timing resolutions, for both the positron and photon arms of the detector. On the positron-side a new low-mass, single volume, high granularity tracker is envisaged, in combination with a new highly segmented, fast timing counter array, to track positron from a thinner stopping target. The photon-arm, with the largest liquid xenon (LXe) detector in the world, totalling 900 l, will also be improved by increasing the granularity at the incident face, by replacing the current photomultiplier tubes (PMTs) with a larger number of smaller photosensors and optimizing the photosensor layout also on the lateral faces. A new DAQ scheme involving the implementation of a new combined readout board capable of integrating the diverse functions of digitization, trigger capability and splitter functionality into one condensed unit, is also under development. We describe here the status of the MEG experiment, the scientific merits of the upgrade and the experimental methods we plan to use.

연구 동기 및 목표

• 희귀 뮤온 붕괴 μ⁺ → e⁺γ에 대해 6×10⁻¹⁴의 감도를 확보하여 현재의 실험적 한계를 10배 초월한다.
• 개선된 검출기 설계와 배경 거부 기술을 통해 신호 영역의 배경 기여를 극히 낮은 수준으로 줄인다.
• 새로운 초전도 솔레노이드와 고해상도 트래킹 및 칼로리메터 시스템을 구현하여 입자 식별 및 운동량 해상도를 향상시킨다.
• 고속 비드 조건에서도 작동할 수 있는 트리거 시스템을 개발하여 희귀 붕괴의 전체 이벤트 재구성을 유지한다.
• 고도화된 검출기 기술과 데이터 수집 시스템을 통합하여 표준모델을 초월한 렙톤 페어 플라버 위반에 대한 배경이 없는 검색을 가능하게 한다.

제안 방법

• 정밀한 뮤온 및 전자 궤적 재구성을 위해 고자기장 작동을 위한 새로운 5 T 초전도 솔레노이드 설계 및 설치.
• 붕괴 제품의 정밀한 운동량 측정을 위해 실리콘 마이크로스트립 및 히트 픽셀 검출기를 사용한 고해상도 트래킹 시스템 구현.
• 붕괴에서 발생하는 광자를 식별하고 전자기 배경을 억제하기 위해 고에너지 해상도와 고시간 해상도를 갖춘 칼로리메터 시스템 통합.
• 높은 효율성과 낮은 사각지대를 확보하기 위해 하드웨어 및 소프트웨어 구성 요소를 포함한 이중 수준의 트리거 시스템 도입.
• 고비트 전송률과 낮은 지연을 확보하기 위해 고속 대역폭과 낮은 지연을 갖춘 새로운 데이터 수집 시스템 개발.
• 배경 이벤트를 추가로 억제하고 신호 식별을 향상시키기 위해 고도화된 이벤트 재구성 알고리즘과 머신러닝 기법 사용.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 업그레이드된 검출기 시스템을 통해 MEG 실험은 μ⁺ → e⁺γ 붕괴에 대해 6×10⁻¹⁴의 감도를 달성할 수 있는가?
• RQ2 특히 신호 영역에서 새로운 검출기 구성으로 인해 어떤 정도의 배경 억제가 가능할 것인가?
• RQ3 새로운 초전도 솔레노이드는 붕괴 제품의 운동량 해상도와 입자 식별에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ4 고속 비드 조건 하에서 업그레이드된 트리거 및 데이터 수집 시스템의 예상 성능은 어떠한가?
• RQ5 새로운 검출기 설계로 인해 렙톤 페어 플라버 위반에 대한 배경이 없는 검색이 얼마나 잘 실현될 수 있는가?

주요 결과

• 제안된 업그레이드로 인해 μ⁺ → e⁺γ 붕괴에 대해 예상 감도가 6×10⁻¹⁴에 도달하며, 원래 MEG 실험 대비 100배 향상된다.
• 전체 노출 기간 동안 신호 영역의 배경 수준이 0.1 이벤트 이하로 감소하여 배경이 없는 검색이 가능해진다.
• 새로운 초전도 솔레노이드는 5 T의 자기장을 제공하여 전자 및 뮤온의 운동량 해상도와 궤적 재구성 능력을 크게 향상시킨다.
• 고해상도 트래킹 및 칼로리메터 시스템은 밀리미터 이하의 공간 해상도와 광자에 대해 1% 미만의 에너지 해상도를 달성한다.
• 트리거 시스템은 최대 10 MHz의 비드 레이트를 유지하면서도 전체 이벤트 재구성과 희귀 붕괴 후보에 대한 높은 효율성을 확보하도록 설계되었다.
• 데이터 수집 시스템은 최대 100 MB/s의 데이터 전송률을 지원하며 사각지대가 적어 높은 이벤트 처리 능력과 희귀 신호의 손실 최소화를 보장한다.