[논문 리뷰] Research Proposal for an Experiment to Search for the Decay μ -> eee

A. Blondel, A. Bravar외 23명|arXiv (Cornell University)|2013. 01. 25.

Particle physics theoretical and experimental studies참고 문헌 60인용 수 136

한 줄 요약

이 논문은 표준모형을 초월한 새로운 물리학에 대한 초고감도 탐지가 가능한 10¹⁶개의 뮤온 붕괴 중 1회에서 발생하는 렙톤-풍미 위반 붕괴 μ⁺ → e⁺e⁻e⁺ 를 탐색하기 위한 Mu3e 실험을 제안한다. 고정밀 실리콘 페어 픽셀 감지기(HV-MAPS)와 SiPM를 사용한 색소성 섬유 하도스코프를 활용하여 공간 해상도와 시간 해상도를 높여 배경을 효과적으로 억제함으로써, 표준모형을 초월한 새로운 물리 현상에 대해 사전에 없던 민감도를 확보한다.

ABSTRACT

We propose an experiment (Mu3e) to search for the lepton flavour violating decay mu+ -> e+e-e+. We aim for an ultimate sensitivity of one in 10^16 mu-decays, four orders of magnitude better than previous searches. This sensitivity is made possible by exploiting modern silicon pixel detectors providing high spatial resolution and hodoscopes using scintillating fibres and tiles providing precise timing information at high particle rates.

연구 동기 및 목표

• 표준모형에서 금지된 렙톤-풍미 위반 붕괴인 μ⁺ → e⁺e⁻e⁺ 를 탐색하기 위해.
• 이전 탐색보다 4개 온도 높은 민감도인 10¹⁶개의 뮤온 붕괴 중 1회에 해당하는 민감도를 확보하기 위해.
• 렙톤 풍미 위반을 예측하는 표준모형을 초월한 물리 모델을 시험하기 위해.
• 주요 배경을 억제하기 위해 고해상도 픽셀 트래킹과 정밀한 타이밍을 결합한 혁신적인 검출기 시스템을 개발하고 구현하기 위해.
• PSI의 기존 및 향후 고강도 뮤온 비임을 활용한 단계별 실험 계획을 수립하기 위해.

제안 방법

• 중앙 트래커에서 고공간 해상도와 낮은 물질 비용을 확보하기 위해 고전압 단일화 활성 픽셀 센서(HV-MAPS)를 사용한다.
• 전자 식별을 위해 실리콘 광다이오드 다이오드(SiPMs)를 장착한 색소성 섬유 하도스코프를 도입하여 정밀한 비행 시간 정보를 제공한다.
• 다중 산산산란 환경에서 뮤온 운동량을 고해상도로 측정하기 위해 리컬러를 활용한다.
• GEANT4 시뮬레이션에 시간 구조 모델을 통합하여 검출기 반응과 배경 과정을 정확히 모델링한다.
• 초당 10⁸개의 뮤온을 처리할 수 있도록 온라인 이벤트 필터링과 고대역폭 데이터 수집 시스템을 도입한다.
• 세 개의 전자 최종 상태를 식별하고 조합 배경을 억제하기 위해 고도로 발전된 트랙 재구성 및 버텍스 피팅 알고리즘을 적용한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 고강도 뮤온 비임선에서 신세대 검출기를 사용할 경우, 희귀 붕괴 μ⁺ → e⁺e⁻e⁺ 를 탐지할 수 있는 민감도 한계는 무엇인가요?
• RQ2 HV-MAPS와 비행 시간 하도스코프가 내부 전환를 동반한 μ → eeeνν̄ 배경을 얼마나 효과적으로 억제할 수 있나요?
• RQ3 운동량 해상도와 신호 수용률을 극대화하고 다중 산산산란을 최소화하기 위해 최적의 검출기 기하학적 구조와 물질 비용은 무엇인가요?
• RQ4 픽셀 및 섬유 검출기의 공간 해상도와 시간 해상도가 동시에 향상될 경우, 우연적 배경 억제에 어떤 영향을 미치나요?
• RQ5 초당 >10⁹개의 μ⁺를 갖는 고강도 비임선으로 실험을 확장할 경우의 기술적 및 비용 영향은 무엇인가요?

주요 결과

• Mu3e 실험은 90% 신뢰수준에서 B(μ⁺ → e⁺e⁻e⁺) < 10⁻¹⁶의 민감도를 목표로 하며, 이는 이전 한계보다 4개 온도 높은 수준이다.
• 기존 비임선(약 10⁸ μ⁺/s)을 사용하는 실험의 1단계는 약 10⁻¹⁵의 민감도를 확보할 것이며, 이는 이전 탐색보다 3개 온도 높은 성능이다.
• HV-MAPS의 사용은 고해상도와 낮은 물질 비용을 가능하게 하여 고다양성 환경에서 정밀한 트래킹과 버텍스 재구성에 필수적이다.
• 픽셀 트래킹과 비행 시간 측정의 조합으로 우연적 배경이 10⁻¹⁶ 민감도 이하로 억제된다.
• 리컬러와 이중층 픽셀 시스템을 포함한 검출기 설계는 신호를 주요 μ → eeeνν̄ 배경과 구분할 수 있는 충분한 운동량 해상도를 확보하기 위해 최적화되어 있다.
• 1단계의 비용 추정은 약 1910 KCHF이며, 자석은 하이델베르크에서 빌려오며, 2단계 비용은 약 1460 KCHF로 추정되며, 비임선 가용성에 따라 달라진다.