[논문 리뷰] Testing Lepton Flavor Universality and CKM Unitarity with Rare Pion Decays in the PIONEER experiment

PIONEER Collaboration, W. Altmannshofer외 59명|arXiv (Cornell University)|2022. 03. 10.

Particle physics theoretical and experimental studies인용 수 9

한 줄 요약

PIONEER 실험은 액체 크세논 캘로리메터와 저이득 앤도일러(저이득 앤도일러) 활성 타겟을 사용하여 희귀 뮤온이온 붕괴를 다음 세대로 측정하고, $ R_{e/\mu} $의 분지비를 $ 10^4 $ 단위 정밀도로 측정한다. 이 측정은 렙톤의 맛 대칭성과 CKM 유니타리성을 시험하며, 표준모형 예측에서의 편차를 통해 페브 베르트 스케일까지 새로운 물리 현상을 탐색한다.

ABSTRACT

The physics motivation and the conceptual design of the PIONEER experiment, a next-generation rare pion decay experiment testing lepton flavor universality and CKM unitarity, are described. Phase I of the PIONEER experiment, which was proposed and approved at Paul Scherrer Institut, aims at measuring the charged-pion branching ratio to electrons vs.\ muons, $R_{e/μ}$, 15 times more precisely than the current experimental result, reaching the precision of the Standard Model (SM) prediction at 1 part in $10^4$. Considering several inconsistencies between the SM predictions and data pointing towards the potential violation of lepton flavor universality, the PIONEER experiment will probe non-SM explanations of these anomalies through sensitivity to quantum effects of new particles up to the PeV mass scale. The later phases of the PIONEER experiment aim at improving the experimental precision of the branching ratio of pion beta decay (BRPB), $π^+ o π^0 e^+ ν(γ)$, currently at $1.036(6) imes10^{-8}$, by a factor of three (Phase II) and an order of magnitude (Phase III). Such precise measurements of BRPB will allow for tests of CKM unitarity in light of the Cabibbo Angle Anomaly and the theoretically cleanest extraction of $|V_{ud}|$ at the 0.02\% level, comparable to the deduction from superallowed beta decays.

연구 동기 및 목표

• 10,000분의 1 정밀도로 렙톤의 맛 대칭성을 시험하기 위해, $ R_{e/\mu} $의 충전 이온 붕괴 분지비를 사상적인 정밀도로 측정한다.
• 표준모형을 초월한 새로운 물리 현상을 $ R_{e/\mu} $의 편차를 통해 탐색하며, 페브 베르트 스케일의 질량까지 영향을 받는 새로운 입자를 감지할 수 있다.
• 후기 단계에서 $ |V_{ud}| $ 를 0.02% 수준에서 추출하고 CKM 유니타리성을 시험하기 위해 $ \pi^+ \to \pi^0 e^+ \nu(\gamma) $의 이온 베타 붕괴 분지비의 정밀도를 향상시킨다.
• 고속, 고정밀 추적 및 에너지 측정을 위한 고도화된 검출기 기술, 즉 ATAR 센서, LXe 캘로리미터, SiPM 기반 읽기 시스템을 개발한다.
• 희귀 붕괴 물리 실험을 위한 새로운 실험 플랫폼을 PSI에서 구축하며, 희귀 카이온 붕괴, 뮤온 실험, 고에너지 충돌기 물리 분야의 전문 지식을 통합한다.

제안 방법

• 희귀 이온 붕괴에서 붕괴 생성물을 4차원으로 고정밀 추적하기 위해 저이득 앤도일러 기반 활성 타겟(ATAR)을 활용한다.
• 우수한 에너지 해상도를 지닌 대용량 수용각, 깊이 있는, 빠르고 균일한 액체 크세논(LXe) 캘로리미터를 사용하여 $ \pi^+ \to e^+ \nu $ 붕괴에서 발생하는 양전자를 탐지하고 측정한다.
• 운동량 해상도 향상과 입자 식별을 강화하기 위해 300 $\mu$m 두께의 실리콘 스트립 또는 저이득 앤도일러를 사용한 실린더형 양전자 트래커를 구현한다.
• 에너지 해상도와 이득 억제 메커니즘에 중점을 두고 ATAR 센서 프로토타입의 연구 개발을 수행하며, $\pi E5$와 $\pi E1$에서 비드 테스트를 실시한다.
• 광학 분할 최적화, 광학 센서 성능 및 재료 특성 평가를 위해 LXe 캘로리미터 프로토타입 개발 및 테스트를 수행한다. 이는 광자 전송 시뮬레이션의 기준 설정을 목적으로 한다.
• CALO 데이터에 대한 FPGA-to-CPU/GPU 및 CPU-to-CPU 광학 PCI-Express 연결의 레이트 테스트를 수행하고, 데이터 압축 알고리즘의 성능을 평가한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 10,000분의 1 정밀도로 충전 이온 붕괴 분지비 $ R_{e/\mu} $ 를 측정할 수 있으며, 이는 렙톤의 맛 대칭성에 대한 민감한 시험을 가능하게 하는가?
• RQ2 표준모형을 초월한 새로운 물리 현상에 대한 $ R_{e/\mu} $ 측정의 감도는 특히 페브 베르트 질량 스케일에서 어떻게 되는가?
• RQ3 CKM 유니타리성을 시험하고 $ |V_{ud}| $ 를 0.02% 수준에서 추출하기에 충분한 정밀도로 $ \pi^+ \to \pi^0 e^+ \nu(\gamma) $의 이온 베타 붕괴 분지비를 측정할 수 있는가?
• RQ4 ATAR 센서, SiPM, LXe 캘로리미터와 같은 검출기 구성 요소가 실험에 관련된 고속 비드 조건에서 어떻게 성능을 발휘하는가?
• RQ5 분할, 재료, 읽기 전자기 구성에서 실린더형 양전자 트래커와 LXe 캘로리미터의 최적 구성은 무엇인가?

주요 결과

• PIONEER 실험은 $ R_{e/\mu} $ 를 10,000분의 1 정밀도로 측정할 것을 목표로 하며, 현재의 실험적 한계에 비해 크게 향상된 성능을 기대한다.
• 실험은 새로운 입자를 포함한 양자 보정을 통해 렙톤의 맛 대칭성에서의 새로운 물리 현상을 페브 베르트 질량 스케일까지 탐색할 수 있도록 설계되어 있다.
• PIONEER의 1단계는 ATAR 센서와 LXe 캘로리미터의 핵심 구성 요소에 대한 연구 개발 및 프로토타입 테스트가 성공적으로 완료된 후인 2029년에 시작될 예정이다.
• 프로토타입 개발에는 $\pi E5$와 $\pi E1$에서의 비드 테스트가 포함되며, 2022년에 2주간의 비드 시간이 승인되어 비드 조건을 검증한다.
• LXe 캘로리미터 연구 개발은 맥길 대학교의 2리터 LXe 냉각기와 SiPM 기반 시스템을 사용해 광학 센서 성능 및 광학 특성을 테스트한다.
• 협동체는 프로토타입 APOLLO 명령 모듈과 트리거 및 데이터 수집 시스템 프로토타이핑을 위한 4채널 디지타이저 보드 개발을 진행 중이다.