[论文解读] A submission to the 2020 update of the European Strategy for Particle Physics on behalf of the COMET, MEG, Mu2e and Mu3e collaborations

A. Baldini, D. Glenzinskí+9 more|arXiv (Cornell University)|Dec 16, 2018

Particle physics theoretical and experimental studies参考文献 5被引用 23

一句话总结

本文提出一项协调的全球计划，利用瑞士保罗谢勒研究所（PSI）、费米国家加速器实验室（Fermilab）和高能加速器研究机构（J-PARC）的高强μ子束流，搜索μ子到电子转换中的带电轻子味破坏（cLFV）。通过利用这些设施的下一代升级，实验有望实现高达10^4 TeV/c²的灵敏度，从而具备发现标准模型之外新物理的潜力。

ABSTRACT

Charged-lepton flavour-violating (cLFV) processes offer deep probes for new physics with discovery sensitivity to a broad array of new physics models - SUSY, Higgs Doublets, Extra Dimensions, and, particularly, models explaining the neutrino mass hierarchy and the matter-antimatter asymmetry of the universe via leptogenesis. The most sensitive probes of cLFV utilize high-intensity muon beams to search for $μ ightarrow e$ transitions. We summarize the status of muon-cLFV experiments currently under construction at PSI, Fermilab, and J-PARC. These experiments offer sensitivity to effective new physics mass scales approaching O($10^4$) TeV/c$^2$. Further improvements are possible and next-generation experiments, using upgraded accelerator facilities at PSI, Fermilab, and J-PARC, could begin data taking within the next decade. In the case of discoveries at the LHC, they could distinguish among alternative models; even in the absence of direct discoveries, they could establish new physics. These experiments both complement and extend the searches at the LHC.

研究动机与目标

• 推进μ子味破坏中带电轻子味破坏（cLFV）的搜索，作为探测标准模型之外新物理的探针。
• 通过在现有及升级设施中使用高强μ子束流，将cLFV过程的灵敏度提升数个数量级。
• 通过开展μ→eγ、μ→eee和μ→e转换三种“黄金通道”的研究，全面探索cLFV参数空间。
• 加强欧洲机构在国际cLFV实验中的参与度，涵盖设计、建造、数据获取与分析等环节。
• 支持PSI、Fermilab和J-PARC的未来升级，实现μ→e转换过程灵敏度达10^−17至10^−19，从而发现新物理模型。

提出的方法

• 利用PSI（MEG、Mu3e）、Fermilab（Mu2e）和J-PARC（COMET）的高强μ子束流，通过三种不同的衰变模式探测μ→e转换。
• 对PSI（HiMB）、Fermilab（PIP-II直线加速器）和J-PARC（提升质子束流功率）的束流线进行升级，使μ子束流强度提高10至100倍。
• 设计并优化实验装置，通过使用磁偏转场和薄停止靶，提升动量分辨率并抑制本底。
• 探索PRISM项目，将COMET第二阶段与FFAGμ子储存环结合，产生单能且π介子抑制的μ子束流，强度超过10^12 μ/s。
• 利用高精度电子谱仪和μ子捕获探测器，实现对稀有cLFV信号的识别，背景抑制水平达10^−12。
• 整合第一阶段实验的数据，用于指导第二阶段及升级实验（包括Mu2e-II和COMET第二阶段）的设计与优化。

实验结果

研究问题

• RQ1 在PSI、Fermilab和J-PARC的下一代高强μ子束流设施中，μ→e转换过程可实现的最大灵敏度是多少？
• RQ2 μ→eγ、μ→eee和μ→e转换的相对分支比如何约束不同新物理模型（如SUSY、额外维度和轻子偶素）？
• RQ3 PSI（HiMB）、Fermilab（PIP-II）和J-PARC（提升束流功率）的束流线升级，可为未来cLFV实验带来多大程度的灵敏度提升？
• RQ4 PRISM项目是否可通过结合μ子储存环、高强束流与重元素停止靶，实现μ→e转换过程10^−19的灵敏度？
• RQ5 欧洲科研机构如何通过持续参与设计、建造与分析工作，确保下一代cLFV实验的成功？

主要发现

• 当前实验（MEG、Mu3e、Mu2e、COMET）的cLFV灵敏度已达到10^−12至10^−13量级，探测有效新物理尺度超过10^3 TeV/c²。
• PSI、Fermilab和J-PARC的下一代实验（第一阶段）预计可将灵敏度提升最多四个数量级，μ→e转换的灵敏度可达10^−17，μ→eγ和μ→eee的灵敏度可达10^−16。
• Fermilab的Mu2e-II升级和J-PARC的COMET第二阶段升级，有望通过PIP-II和增强的束流功率，使灵敏度比当前极限提高10至100倍。
• PRISM项目结合COMET第二阶段与FFAGμ子储存环，有望实现μ→e转换过程10^−19的灵敏度，从而支持重元素靶材料研究及新物理算符的探索。
• PSI的Mu3e实验在使用8 GeV、56 kW质子束流运行230天后，预计可在90%置信水平下实现μ→eee过程10^−17的灵敏度。
• 已向Fermilab提交了Mu2e-II的意向书，获得来自36所机构共130名科学家的支持，预计使用PIP-II提供的100 kW质子束流，灵敏度将至少提高10倍。