[논문 리뷰] Snowmass2021 Whitepaper: Muonium to antimuonium conversion

Ai-Yu Bai, Yu Chen외 22명|arXiv (Cornell University)|2022. 03. 22.

Muon and positron interactions and applications인용 수 4

한 줄 요약

이 논문은 표준모형을 초월한 새로운 물리학을 시사하는 희귀한 전하 렙톤 품질 위반 과정인 뮤온이온에서 반뮤온이온으로의 변환을 탐색하기 위한 MACE 실험을 제안한다. 고강도 뮤온 비드, 자기 스펙트로미터, 그리고 고도로 발전한 트래킹 및 타이밍 기술을 활용하여, MACE는 현재의 PSI 한계인 90% 신뢰수준에서 $8.3 \times 10^{-11}$ 보다 두 개 이상의 주기수만큼 감도를 향상시키는 것을 목표로 한다.

ABSTRACT

The spontaneous muonium to antimuonium conversion is one of the interesting charged lepton flavor violation processes. It serves as a clear indication of new physics and plays an important role in constraining the parameter space beyond Standard Model. MACE is a proposed experiment to probe such a phenomenon and expected to enhance the sensitivity to the conversion probability by more than two orders of magnitude from the current best upper constraint obtained by the PSI experiment two decades ago. Recent developments in the theoretical and experimental aspects to search for such a rare process are summarized.

연구 동기 및 목표

• 희귀한 뮤온이온에서 반뮤온이온으로의 변환 과정을 통해 전하 렙톤 품질 위반(cLFV)을 탐색하고, 표준모형을 초월한 새로운 물리학의 명확한 징후를 제공한다.
• 특히 타입-II 및 하이브리드 시즈모델에서 연관된 시즈메커니즘과 관련된 cLFV 과정을 탐색하여 중성미온 질량 생성 원인에 대한 해결되지 않은 질문을 다룬다.
• 현재의 실험 한계를 두 개 이상의 주기수 초과하여 뮤온이온에서 반뮤온이온으로의 변환에 대한 감도를 크게 향상시킨다.
• 강력한 느린 뮤온 비드, 최적화된 자기 스펙트로미터, 그리고 고도로 발전한 배경 차폐 기술을 활용한 고정밀도 실험의 개념 설계를 개발한다.
• 감도 향상을 위해 시뮬레이션을 통한 검출기 반응 분석, 신호 식별 최적화, 그리고 희귀 표준모형 과정과 우주선으로 인한 배경를 최소화하는 방법을 평가한다.

제안 방법

• 낮은 뮤온 비드를 사용하여 진공에서 고효율의 뮤온이온 형성 과정을 활용하여 뮤온이온 원자를 생성한다.
• 자기 스펙트로미터를 활용해 뮤온 붕괴 및 반뮤온이온 파괴에서 발생하는 고속 입자를 탐지하고 식별함으로써 정밀한 운동량 및 전하 재구성을 가능하게 한다.
• 고정밀 타이밍 및 위치 재구성을 통해 상호작용의 발생 위치를 식별하고, 비행 시간 측정을 통해 신호 이벤트와 배경을 구분한다.
• 고도로 발전한 트래킹 알고리즘과 개선된 물리적 감도 지표를 적용하여 물리적 감도를 최적화하고, 신호 이벤트와 배경 원천을 효과적으로 구분한다.
• 몬테카를로 시뮬레이션을 통해 검출기 반응을 모델링하고, 마이크로채널 플레이트(MCP)에서의 2차 전자 방출을 포함하며, 이론 모델과의 일치성을 검증한다.
• 이중 신호 식별 전략을 적용: 뮤온 붕괴에서 발생하는 고에너지 전자와 반뮤온이온 파괴에서 발생하는 원자 껍질 방출에서의 양전자 탐지로 변환 이벤트를 확인한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 이러한 변환이 매우 희귀하다는 예측을 바탕으로, 현재 및 차세대 실험 기술로 뮤온이온에서 반뮤온이온으로의 변환 과정를 관찰할 수 있는가?
• RQ2 제안된 MACE 실험에서 뮤온이온에서 반뮤온이온으로의 변환 확률을 탐색할 수 있는 최대 감도는 얼마인가?
• RQ3 희귀 표준모형 과정, 예를 들어 추가적인 $e^+e^-$ 쌍을 포함한 3체 붕괴 $\mu^+ \to e^+ \nu_e \bar{\nu}_\mu$는 신호 영역에서 어떤 정도의 배경 기여를 할 수 있는가?
• RQ4 검출기 에너지 해상도와 타이밍 해상도는 희귀 붕괴에서 연속적인 에너지 스펙트럼에 기인한 내재적 배경을 어느 정도 억제할 수 있는가?
• RQ5 자기 스펙트로미터, 비행 시간, 그리고 병합점 재구성의 조합이 우주선 및 빔 기반 배경과의 신호 이벤트를 효과적으로 분리할 수 있는가?

주요 결과

• 현재 뮤온이온에서 반뮤온이온으로의 변환 확률에 대한 실험적 상한은 1999년 PSI 실험에서 설정된 $P \lesssim 8.3 \times 10^{-11}$ (90% 신뢰수준)이며, 20년 이상 동안 도전받지 못했다.
• MACE 실험은 뮤온이온에서 반뮤온이온으로의 변환 확률에 대한 감도를 두 개 이상의 주기수 초과하여 향상시키며, $10^{-13}$ 수준 또는 그 이하의 감도를 달성할 것으로 설계되어 있다.
• 초기 몬테카를로 시뮬레이션 결과, 비행 시간과 자기 스펙트로미터 내에서의 최소 거리와 같은 정보를 활용해 검출기 시스템을 최적화하여 신호 이벤트와 배경을 효과적으로 구분할 수 있음을 보여주었다.
• MCP에서의 2차 전자 방출에 대한 검출기 반응은 이론 모델과 양호한 일치를 보이며, 미미한 체계적 편차만 존재하여 고정밀 신호 탐지의 가능성에 대한 지원을 제공한다.
• 희귀 표준모형 과정인 $\mu^+ \to e^+ \nu_e \bar{\nu}_\mu e^+ e^-$와 같은 배경은 에너지 해상도에 의해 억제될 것으로 예상되며, 이는 이벤트 재구성 기법을 통해 추가로 감소시킬 수 있다. 이 과정의 분해율은 $(3.4 \pm 0.4) \times 10^{-5}$이다.
• 이론 모델, 특히 타입-II 및 하이브리드 시즈모델은 이중적으로 양전하를 가진 힉스 보존이 수준에서 뮤온이온에서 반뮤온이온으로의 변환를 매개할 수 있음을 예측하며, 이는 이 탐색에 강력한 동기를 제공한다.