[논문 리뷰] PIONEER: Studies of Rare Pion Decays

PIONEER Collaboration, W. Altmannshofer외 59명|arXiv (Cornell University)|2022. 03. 03.

Particle physics theoretical and experimental studies인용 수 14

한 줄 요약

PIONEER는 PSI에서 고성능 실리콘 센서와 고대역폭 읽기 전자회로를 사용하여 희귀 파이온 붕괴를 연구할 차세대 실험을 제안하며, 무거운 새로운 입자에서 유래하는 양자 효과의 정밀 측정을 통해 렙톤의 맛 대칭성 위반과 표준모형을 초월한 새로운 물리학을 탐색하고자 한다.

ABSTRACT

A next-generation rare pion decay experiment, PIONEER, is strongly motivated by several inconsistencies between Standard Model (SM) predictions and data pointing towards the potential violation of lepton flavor universality. It will probe non-SM explanations of these anomalies through sensitivity to quantum effects of new particles even if their masses are at very high scales. Measurement of the charged-pion branching ratio to electrons vs. muons $R_{e/μ}$ is extremely sensitive to new physics effects. At present, the SM prediction for $R_{e/μ}$ is known to 1 part in $10^4$, which is 15 times more precise than the current experimental result. An experiment reaching the theoretical accuracy will test lepton flavor universality at an unprecedented level, probing mass scales up to the PeV range. Measurement of pion beta decay, $π^+ o π^0 e^+ ν(γ)$, with 3 to 10-fold improvement in sensitivity, will determine $V_{ud}$ in a theoretically pristine manner and test CKM unitarity, which is very important in light of the recently emerged tensions. In addition, various exotic rare decays involving sterile neutrinos and axions will be searched for with unprecedented sensitivity. The experiment design benefits from experience with the recent PIENU and PEN experiments at TRIUMF and the Paul Scherrer Institut (PSI). Excellent energy and time resolutions, greatly increased calorimeter depth, high-speed detector and electronics response, large solid angle coverage, and complete event reconstruction are all critical aspects of the approach. The PIONEER experiment design includes a 3$π$ sr 25 radiation length calorimeter, a segmented low gain avalanche detector stopping target, a positron tracker, and other detectors. Using intense pion beams, and state-of-the-art instrumentation and computational resources, the experiments can be performed at the PSI ring cyclotron.

연구 동기 및 목표

• 희귀 파이온 붕괴의 정밀 측정을 통해 렙톤의 맛 대칭성 위반 현상에 대한 이분석을 수행한다.
• 관측된 파이온 붕괴 데이터의 견해 차이를 설명하는 표준모형 외의 이론적 설명을 검증한다.
• 희귀 붕괴 실험에서 고정밀 추적을 위한 신규 실리콘 센서 기술(ATAR, TI-LGAD)을 개발하고 최적화한다.
• 희귀 붕괴 신호의 복잡한 특성을 실시간으로 디지털화할 수 있는 고대역폭, 고다이나믹 레인지 읽기 체인을 설계한다.
• 기존 센서 및 전자기기 구성 요소를 사용하여 전체 시스템 개념을 검증하기 위해 ATAR0 프로토타입을 구축하고 시험한다.

제안 방법

• 희귀 붕괴 연구를 위해 고강도 파이온 비임을 생산하기 위해 PSI의 고리형 사이클로트론을 활용한다.
• 120 µm 두께의 AC-LGAD 및 TI-LGAD 센서를 탑재한 맞춤형 활성 타겟 및 추적 검출기(ATAR)를 구현하여 고공간 해상도 및 고시간 해상도를 확보한다.
• 센서 반응을 모델링하고 프로토타입 데이터(FNAL 테스트 비드)에 대비해 설계 파rameter를 최적화하기 위해 TCAD 시뮬레이션을 활용한다.
• 최대 2000의 다이나믹 레인지 신호를 처리하기 위해 고속 앰프 칩(e.g., FAST2)과 고다이나믹 레인지 디지타이저를 통합한다.
• 센서와 원거리 앰프 사이에 짧은 플렉서블 케이블(5 cm)을 사용하며, 프로토타입 검증을 통해 신호 무결성을 확인한다.
• 5~10층으로 구성된 다층 ATAR0 프로토타입을 제작하여, 파이온/뮤온 비드에서의 시간에 따른 붕괴 특성 발전을 연구한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 희귀 파이온 붕괴는 표준모형 예측에서의 편차를 탐지할 수 있을 정도로 충분한 정밀도로 측정될 수 있는가?
• RQ2 기존 LGAD에 비해 TI-LGAD 센서는 픽셀 격리 및 충점율 측면에서 얼마나 향상되었는가?
• RQ3 희귀 붕괴 실험에서 고다이나믹 레인지 신호를 처리하기 위한 최적의 전자 읽기 체인 구성은 무엇인가?
• RQ4 TCAD 시뮬레이션은 실제 비 조건에서 프로토타입 센서의 성능을 얼마나 정확히 예측하는가?
• RQ5 2023년 말까지 파이온/뮤온 비드라인에서 작동 가능한 ATAR0 프로토타입을 구축하고 시험할 수 있는가?

주요 결과

• TCAD 시뮬레이션은 시뮬레이션된 센서 반응과 기존 FNAL 테스트 비드 데이터 사이에 합리적인 일치를 보이며, 설계 접근법의 타당성을 검증한다.
• FBK에서 제작한 TI-LGAD 프로토타입은 이웃한 스트립 간에 오직 3%의 교차 간섭만을 보이며, 효과적인 격리가 이루어졌음을 시사한다.
• 접한 스트립에서의 최대 펄스 진폭은 주 스트립의 피크 대비 3%에 불과하여, 낮은 교차 간섭과 높은 신호 무결성을 확인한다.
• 현재 ATAR0 프로토타입 설계는 2.5 cm 길이, 500 µm 피치, 50 µm 두께의 AC-LGAD 센서를 사용하며, BNL에서 연마 및 CMP 공정을 통해 120 µm 두께로 얇게 가공될 예정이다.
• 프로토타입는 TRIUMF 또는 PSI의 파이온/뮤온 비드라인에서 시험되어 2023년 말까지 전체 시스템 성능을 검증할 예정이다.
• 기존 ASIC인 FAST2는 평가 중이며, 2000의 다이나믹 레인지 요구 조건을 충족시키기 위해 2.5V 신호 여유를 갖춘 맞춤형 솔루션 개발을 고려 중이다.