[论文解读] Science Case for the new High-Intensity Muon Beams HIMB at PSI

M. Aiba, A. Amato+34 more|arXiv (Cornell University)|Nov 10, 2021

Muon and positron interactions and applications参考文献 301被引用 24

一句话总结

本文提出了在保罗·谢勒研究所（PSI）建设高强度μ子束流装置（HIMB）的计划，其表面μ子强度将比现有设施高出100倍。该升级将推动味物理、标准模型的精密测试以及凝聚态物质中的μ子自旋谱学的变革性实验，通过采用新型像素探测器和束流冷却技术，实现前所未有的灵敏度与空间分辨率。

ABSTRACT

In April 2021, scientists active in muon physics met to discuss and work out the physics case for the new High-Intensity Muon Beams (HIMB) project at PSI that could deliver of order $10^{10}$\,s$^{-1}$ surface muons to experiments. Ideas and concrete proposals were further substantiated over the following months and assembled in the present document. The high intensities will allow for completely new experiments with considerable discovery potential and unique sensitivities. The physics case is outstanding and extremely rich, ranging from fundamental particle physics via chemistry to condensed matter research and applications in energy research and elemental analysis. In all these fields, HIMB will ensure that the facilities S$μ$S and CHRISP on PSI's High Intensity Proton Accelerator complex HIPA remain world-leading, despite the competition of muon facilities elsewhere.

研究动机与目标

• 在PSI建立新的高强度μ子束流装置（HIMB），显著提升粒子物理与凝聚态物理中基于μ子实验的灵敏度与研究范围。
• 解决当前μ子流强与空间分辨率不足的问题，以克服μ子自旋旋转（μSR）与轻子味违反搜索中高精度测量的限制。
• 通过实现更快、空间分辨更高、可进行深度剖面分析的测量，为材料科学提供新的实验能力，适用于更小样品。
• 通过提升统计精度与降低系统误差，支持电荷轻子味违反（cLFV）、电偶极矩（EDM）及异常磁矩（g-2）测量等旗舰实验。
• 将先进探测器技术——特别是薄型、高计数率像素探测器（如DMAPS与HVMAPS）——集成到实验装置中，以最大化探测效率与空间分辨率。

提出的方法

• 在PSI建设新型高强度质子加速器（HIPA），使μ子产生强度比现有束流高出两个数量级。
• 采用先进的μ子束流冷却技术，降低束流发射度，提升束流质量，以支持精密实验。
• 将单片有源像素传感器（MAPS），特别是DMAPS与HVMAPS，集成到环绕样品低温恒温器的双圆柱形探测器几何结构中，以追踪μ子轨迹与正电子衰变顶点。
• 设计一个由34个模块组成的原型像素探测器，总有效面积为136 cm²，采用50 μm厚的DMAPS芯片，材料最小化以减少多次散射。
• 利用蒙特卡罗（MC）方法模拟μ子输运与探测器响应，以优化接受度与空间分辨率，对27 MeV μ子的接受度达到56%。
• 探索将传感器减薄至30 μm，通过减少多次散射效应，将空间分辨率从0.65 mm提升至0.50 mm以下。

实验结果

研究问题

• RQ1 PSI的μ子束流强度提升100倍，如何推动电荷轻子味违反与电偶极矩搜索中的新发现？
• RQ2 薄型、高计数率像素探测器（如DMAPS）在μ子自旋谱学实验中，能在多大程度上提升空间与时间分辨率？
• RQ3 在探测器中最小化材料并使用薄传感器时，μ子衰变顶点重建的可实现空间分辨率是多少？
• RQ4 高电压单片像素传感器（HVMAPS）的集成如何提升低能μ子实验的性能？
• RQ5 更高的μ子强度与改进的探测器分辨率，将为材料科学与凝聚态物理带来哪些新的实验能力？

主要发现

• PSI提出的HIMB装置将实现比现有设施高出100倍的表面μ子强度，支持新一代高精度实验。
• 原型像素探测器对100,000个模拟μ子（平均动量27 MeV）的接受度达到56%，展现出在低能μ子实验中的优异性能。
• 在50 μm传感器厚度下，空间分辨率受多次散射限制在0.65 mm，但采用30 μm传感器可将其提升至0.50 mm以下。
• 采用Mu3e实验的DMAPS芯片可实现高计数率、低材料的μ子与正电子追踪，对μSR中的顶点重建至关重要。
• 双圆柱形像素探测器设计可同时测量多个样品，并有效分离复杂材料中的磁畴。
• 该设施将支持长期旗舰级味物理实验，包括cLFV、EDM与g-2的搜索，具备超越标准模型的发现潜力。