[论文解读] PIONEER: Studies of Rare Pion Decays

PIONEER Collaboration, W. Altmannshofer+59 more|arXiv (Cornell University)|Mar 3, 2022

Particle physics theoretical and experimental studies被引用 14

一句话总结

PIONEER 提出在 PSI 开展下一代实验，利用先进的硅传感器和高带宽读出电子系统，研究稀有π介子衰变，旨在通过精确测量重新粒子引起的量子效应，探测规范模型之外的轻子味 universality 破坏和新物理。

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.

研究动机与目标

• 通过稀有π介子衰变的精确测量，研究轻子味 universality 中的异常现象。
• 检验对观测到的π介子衰变数据差异的非规范模型解释。
• 开发并优化用于稀有衰变实验中高精度追踪的新型硅传感器技术（ATAR、TI-LGADs）。
• 设计并实现一种高带宽、高动态范围的读出链，能够实时数字化复杂衰变信号。
• 利用现有传感器和电子元件构建并测试原型（ATAR0），以验证完整系统概念。

提出的方法

• 利用 PSI 的环形回旋加速器产生高强度π介子束，用于稀有衰变研究。
• 采用定制设计的主动靶和追踪探测器（ATAR），配备120 µm厚的AC-LGAD和TI-LGAD传感器，实现高空间和时间分辨率。
• 使用TCAD仿真模拟传感器响应，并基于费米实验室测试束的原型数据优化设计参数。
• 集成快速放大芯片（如FAST2）和高动态范围模数转换器，以处理高达2000动态范围的信号。
• 采用短柔性电缆（5 cm）将传感器连接至远程放大器，通过原型验证确保信号完整性。
• 构建包含5–10层、通道数减少的多层ATAR0原型，用于研究π介子/μ子束中衰变的时间演化过程。

实验结果

研究问题

• RQ1 稀有π介子衰变能否以足够高的精度测量，以检测与规范模型预测的偏离？
• RQ2 与传统LGAD相比，TI-LGAD传感器在像素隔离和填充因子方面能提升多少？
• RQ3 在稀有衰变实验中，处理高动态范围信号的最优电子读出链配置是什么？
• RQ4 TCAD仿真在真实束流条件下对原型传感器性能的预测能力如何？
• RQ5 能否在2023年底之前在π介子/μ子束线中构建并测试一个功能正常的ATAR0原型？

主要发现

• TCAD仿真显示，仿真传感器响应与现有的费米实验室测试束数据之间具有合理匹配，验证了设计方法的可靠性。
• FBK提供的TI-LGAD原型表现出标准LGAD响应，相邻条带间串扰仅为3%，表明隔离效果良好。
• 相邻条带上最大脉冲幅度仅为主条带峰值的3%，证实串扰极低且信号完整性高。
• 当前ATAR0原型设计采用2.5 cm长、500 µm节距的AC-LGAD传感器，厚度为50 µm，将通过BNL的研磨和化学机械抛光（CMP）工艺减薄至120 µm。
• 该原型将在TRIUMF或PSI的π介子/μ子束线中进行测试，以验证整个系统性能，预计在2023年底完成。
• 正在评估现有ASIC（如FAST2），并探索具有2.5V信号余量的定制解决方案，以满足2000动态范围的要求。