[论文解读] An Overview of the COMET Experiment and its Recent Progress

B. Krikler|arXiv (Cornell University)|Dec 29, 2015

Particle Detector Development and Performance被引用 11

一句话总结

COMET实验旨在通过J-PARC的脉冲质子束在铝中实现相干μ子到电子转换，探测带电轻子味违反现象。该实验计划将该过程的灵敏度提高四个数量级，从2018年开始进行第一阶段数据采集，实现单事件灵敏度为$3 \times 10^{-15}$，并推进至第二阶段，目标灵敏度达到$3 \times 10^{-17}$。

ABSTRACT

Forbidden in the Standard Model, Charged Lepton Flavour Violation is a strong probe for New Physics. The COMET Experiment will measure one of these processes: that of COherent Muon to Electron Transitions, where a muon converts to an electron in the presence of a nucleus without the emission of any neutrinos. COMET aims to improve the current limit on this process by four orders of magnitude. Being built in two phases at J-PARC, Tokai, Japan, COMET will first take data in 2018, where it should achieve a factor 100 improvement. This report gives an overview of $μ$-$e$ conversion and the COMET experiment as well as a summary of the recent progress in construction and design.

研究动机与目标

• 通过在标准模型中被禁止但对新物理敏感的相干μ子到电子转换过程，探测带电轻子味违反（CLFV）。
• 将μ子到电子转换的当前实验极限提高四个数量级，超越SINDRUM-II的$7 \times 10^{-13}$极限。
• 通过在J-PARC实施的两阶段实验方法实现上述目标，第一阶段自2018年起开始数据采集。
• 通过脉冲束定时、专用探测器和先进粒子鉴别技术，最大限度减少本底。
• 通过PSI和东北大学的AlCap实验及束流测试，验证模拟模型。

提出的方法

• 利用J-PARC的8 GeV脉冲质子束产生次级π介子和μ子，通过向后收集π介子和μ子，形成低能、高度准直的μ子束。
• 采用弯曲螺线管和调谐的二极磁场，将μ子引导并聚焦至低原子序数的铝靶上，以最大化信号的相干增强。
• 在第一阶段实施双探测器系统：使用管式追踪器进行轨迹重建，使用量能器进行电子识别，时间分辨率用于抑制本底。
• 利用延迟时间探测窗口，通过铝中μ子原子864 ns的寿命特性，排斥与束流相关的本底。
• 使用基于Geant4的软件模拟整个实验，整合了μ子束缚、衰变谱和磁场的更新模型。
• 在PSI和东北大学开展束流测试，验证粒子鉴别技术和探测器原型，将结果反馈至模拟中。

实验结果

研究问题

• RQ1 COMET实验对相干μ子到电子转换的灵敏度如何？与当前SINDRUM-II极限相比有何差异？
• RQ2 在信号率低于$10^{-15}$的稀有过程中，如何最大限度地抑制本底？
• RQ3 在8 GeV质子能量下，向后方向μ子产额和束流输运的关键不确定性是什么？如何解决这些问题？
• RQ4 束缚μ子衰变谱的建模精度如何？这对信号和本底模拟有何影响？
• RQ5 AlCap实验在验证COMET模拟链中使用的物理模型方面发挥什么作用？

主要发现

• 预计COMET第一阶段将实现单事件灵敏度（SES）为$3 \times 10^{-15}$，相比当前极限提高100倍。
• 第二阶段目标为SES达到$3 \times 10^{-17}$，相比SINDRUM-II的$7 \times 10^{-13}$极限提高四个数量级。
• 在PSI的束流测试中，成功验证了基于ECAL的新型粒子鉴别方法，证实了关键PID技术的可行性。
• 漂移室（CDC）的导线安装已于11月完成，目前正在进行导线张力测量，支持探测器准备就绪。
• COMET软件于4月发布首个稳定版本，支持两次大规模模拟生产及完整几何结构集成。
• 已将第二阶段的更新磁场图谱整合至模拟中，提升了束流线和探测器建模的准确性。