[论文解读] COMET - A submission to the 2020 update of the European Strategy for Particle Physics on behalf of the COMET collaboration

J. C. Angélique, C. Cârloganu+17 more|arXiv (Cornell University)|Dec 19, 2018

Particle physics theoretical and experimental studies参考文献 4被引用 16

一句话总结

COMET 是在日本 J-PARC 进行的一项分阶段实验，旨在通过μ子原子中的μ子到电子的转换来探测标准模型之外的新物理。第二阶段的目标是实现单事件灵敏度 2.6×10⁻¹⁷，可探测能量尺度高达约 10⁴ TeV 的新物理，通过设计优化，未来有望进一步提升至 10⁻¹⁸。

ABSTRACT

The search for charged lepton flavour violation (CLFV) has enormous discovery potential in probing new physics Beyond the Standard Model (BSM). Among the muonic CLFV processes, $μ o e$ conversion is one of the most important processes, having several advantages compared to other such processes. We describe the COMET experiment, which is searching for $μ o e$ conversion in a muonic atom at the J-PARC proton accelerator laboratory in Japan. The COMET experiment has taken a staged approach; the first stage, COMET Phase-I, is currently under construction at J-PARC, and is aiming at a factor 100 improvement over the current limit. The second stage, COMET Phase-II is seeking another 100 improvement (a total of 10,000), allowing a single event sensitivity (SES) of $2.6 imes 10^{-17}$ with $2 imes 10^{7}$ seconds of data-taking. Further improvements by one order of magnitude, which arise from refinements to the experimental design and operation, are being considered whilst staying within the originally-assumed beam power and beam time. Such a sensitivity could be translated into probing many new physics constructions up to $\mathcal{O}(10^{4})$ TeV energy scales, which would go far beyond the level that can be reached directly by collider experiments. The search for CLFV $μ o e$ conversion is thus highly complementary to BSM searches at the LHC.

研究动机与目标

• 通过μ子到电子的转换寻找带电轻子味破坏（CLFV），该过程在标准模型中被禁止，但被许多新物理模型所预测。
• 探测能量尺度高达 O(10⁴) TeV 的新物理，远超直接对撞机探测的范围。
• 通过两阶段实验方法，实现灵敏度提升 10,000 倍。
• 通过访问新物理的不同信号，尤其是涉及 CLFV 树图贡献的信号，为 LHC 探测提供互补手段。
• 通过不同 CLFV 观测量（包括辐射衰变和半轻衰变）之间的关联，精确区分新物理模型。

提出的方法

• 利用 J-PARC 质子加速器产生的高强度μ子束流，使μ子在低原子序数靶中停止，形成μ子原子。
• 采用可调谐的μ子传输束线，实现动量选择和磁体捕获，将μ子引导至停止靶。
• 部署高分辨率电子谱仪，结合主动粒子识别技术，以排除中性粒子和反号电子的本底。
• 实施多阶段本底抑制策略，包括粒子识别、动量过滤和电磁量能器。
• 使用大规模蒙特卡罗模拟与优化的统计策略，高效估算信号与本底事件率。
• 集成先进的数据获取与触发系统，以应对高事件率条件，确保高保真度事例重建。

实验结果

研究问题

• RQ1 通过μ子原子中的μ子到电子转换，所能探测的新物理最大能量尺度是多少？
• RQ2 通过第二阶段设计优化，实验灵敏度如何在现有极限基础上再提升两个数量级？
• RQ3 不同新物理模型在生成 CLFV 过程的树图与圈图贡献中分别扮演何种角色？
• RQ4 COMET 实验能否通过观测量之间的关联，区分 CLFV 中的光子型与非光子型媒介？
• RQ5 若未来集成μ子储存环（如 PRISM 项目），在 CLFV 和轻子数不守恒（LNV）测量中，灵敏度可提升多少？

主要发现

• COMET 第二阶段设计在数据采集 2×10⁷ 秒后，可实现单事件灵敏度 2.6×10⁻¹⁷。
• 该实验旨在探测 O(10⁴) TeV 量级的新物理能量尺度，显著超越 LHC 的直接探测能力。
• 通过设计与运行优化，灵敏度可进一步提升一个数量级，潜在达到 10⁻¹⁸。
• 基于相位旋转的 FFAG μ子储存环的 PRISM 项目，可实现 10⁻²⁰ 的本底抑制水平，并实现高达 10⁻¹⁹ 的灵敏度。
• 欧洲机构在关键组件（包括宇宙射线拒止系统、量能器、数据获取与模拟基础设施）中发挥重要作用，确保了强大的国际合作。
• COMET 合作组拥有强大的欧洲参与度，约三分之一的成员来自欧洲，持续为模拟、软件及未来升级的研发做出贡献。