[논문 리뷰] The Mu2e Experiment at Fermilab

R. Kutschke|arXiv (Cornell University)|2011. 12. 01.

Particle physics theoretical and experimental studies인용 수 7

한 줄 요약

Fermilab의 Mu2e 실험은 원자핵의 쿠론장에서 뉴트리노를 방출하지 않는 뮤온에서 전자의 전환을 탐색하며, 90% 신뢰수준에서 감도 $ R_{\text{μe}} < 6.0 \times 10^{-17} $ 를 목표로 한다. 낮은 배경의 정밀한 타이밍을 가진 뮤온 비임의를 사용하고, 고운동량 해상도를 가진 자기 스펙트로미터를 통해 궤도에서의 뮤온 붕괴의 고에너지 尾를 분리함으로써, 10,000 테바볼트 이하의 새로운 물리 현상에 민감하게 반응할 수 있다.

ABSTRACT

The Mu2e collaboration has proposed an experiment to search for the coherent, neutrino-less conversion of a muon into an electron in the Coulomb field of a nucleus with an expected sensitivity of $R_{μe}&lt;6.0 imes 10^{-17}$, at the 90% confidence level. Mu2e has received CD-0 approval from the US Department of Energy. If all resources are made available as required, the experiment could begin taking data as early as 2018.

연구 동기 및 목표

• 표준모형에서는 금지되지만 많은 새로운 물리 이론에서 예측하는 원자핵의 쿠론장 내에서의 코herent 뮤온-전자 전환을 통한 전하 렙톤 편미분 위반을 탐색하는 것.
• 이전의 SINDRUM 한계보다 10,000배 높은 감도를 확보하기 위해 90% 신뢰수준에서 $ R_{\text{μe}} < 6.0 \times 10^{-17} $ 의 감도를 달성하는 것.
• LHC의 탐색 범위를 초월하여 약 10,000 테바볼트 수준의 새로운 물리 스케일을 탐색하는 것.
• 고정밀 운동량 측정과 정밀한 타이밍 데이터 수집 윈도우를 통해 궤도에서의 뮤온 붕괴의 연속 스펙트럼과는 별개로 단일 에너지의 전자 신호를 식별하는 것.

제안 방법

• 저운동량의 음성 뮤온 비임이 프로톤 충격을 통해 생성되고, 얇은 알루미늄 필름으로 이루어진 정지 타겟으로 운반되어, 여기서 뮤온이 뮤온 원자를 형성한다.
• 실험은 디텍터 솔레노이드에서 1.0 T의 자기장을 사용하여 전환 전자들을 안내하고 집중시키며, 운동량을 1,000분의 1의 정밀도로 측정할 수 있는 정밀 트래커를 사용한다.
• 횡방향 운동량 $ p_T > 90\, \text{MeV}/c $ 를 가진 전자들이 재구성되며, 이는 궤도에서의 뮤온 붕괴(DIO)의 고에너지 꼬리만 측정하고, 낮은 $ p_T $ 의 DIO 전자들은 기각한다.
• 각 프로톤 빔 번치 후 770 ns의 사각지대를 두어 즉각적인 배경(예: $ \pi^{-} $, $ e^{-} $)이 붕괴할 시간을 확보함으로써 거짓 신호를 감소시킨다.
• 비임의 소멸 요구 조건인 $ 10^{-10} $ 은 시간이 지나간 프로톤의 수를 최소화하여, 비임의 허브 상호작용으로 인한 보조 배경을 억제한다.
• 배경은 모델링되어 추정되며, $ 3.6 \times 10^{20} $ 개의 프로톤을 타겟으로 투사했을 때 총 $ 0.17 \pm 0.007 $ 개의 사건으로 추정되며, 주로 잘못 측정된 DIO 전자와 방사선을 동반한 $ \pi^{-} $ 포획이 기여한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 Mu2e 실험이 뮤온-전자 전환 확률 $ R_{\text{μe}} $ 에 대해 어떤 감도를 가지며, 이는 뮤온-전자 전환율과 뮤온 포획율의 비율로 정의되는가?
• RQ2 실험은 어떻게 궤도에서의 뮤온 붕괴의 연속 에너지 스펙트럼과는 별개로 뮤온-전자 전환의 단일 에너지 신호를 식별하는가?
• RQ3 신호 영역의 기대 배경 수준은 얼마이며, 타이밍, 자기 집중, 운동량 해상도를 통해 어떻게 억제되는가?
• RQ4 만약 $ 10^{-17} $ 수준에서 $ R_{\text{μe}} $ 를 관측할 경우, 어떤 새로운 물리 스케일을 탐색할 수 있으며, 직접적인 LHC 탐색과 비교해보면 어떠한가?
• RQ5 비임의 소멸과 자기 반사 거울 기하학 등 실험 설계 요소들이 즉각적인 배경으로 인한 오진 신호를 어떻게 최소화하는가?

주요 결과

• Mu2e 실험은 90% 신뢰수준에서 $ R_{\text{μe}} < 6.0 \times 10^{-17} $ 의 감도를 확보하기 위해 $ 3.6 \times 10^{20} $ 개의 프로톤을 타겟으로 투사할 것을 요구한다.
• 신호율 $ R_{\text{μe}} = 10^{-15} $ 인 경우 실험은 배경이 0.2 이하인 약 40개의 신호 사건을 관측할 것으로 예상된다.
• 주요 배경 원천은 잘못 측정된 DIO 전자(0.009 ± 0.006 사건), 방사선을 동반한 $ \pi^{-} $ 포획(0.04 ± 0.02 사건), 비행 중 뮤온 붕괴(0.034 ± 0.017 사건), 그리고 천체선 유도 배경(0.025 ± 0.025 사건)이다.
• 총 추정 배경는 $ 3.6 \times 10^{20} $ 개의 프로톤을 타겟으로 투사했을 때 $ 0.17 \pm 0.007 $ 건이며, 희귀 붕괴와 비임의 관련 배경을 포함한 아홉 가지 과정으로 기여한다.
• 실험의 자기 트래킹 시스템은 오직 $ p_T > 90\, \text{MeV}/c $ 를 가진 전자들만 재구성함으로써, DIO 스펙트럼의 대부분을 효과적으로 기각하고 고에너지 꼬리만 고립시킨다.
• 비임의 소멸 요구 조건인 $ 10^{-10} $ 은 시간이 지나간 배경을 억제하는 데 핵심적인 역할을 하며, 산산이 흩어진 프로톤으로 인한 2차 배경을 최소화한다.