[论文解读] Latest results of MEG and status of MEG-II

F. Renga|arXiv (Cornell University)|Oct 17, 2014

Particle Detector Development and Performance参考文献 2被引用 8

一句话总结

本论文展示了MEG实验的最新结果，该实验对稀有μ子衰变μ⁺→e⁺γ的搜索灵敏度达到分支比5.7×10⁻¹³，未发现信号。同时，论文还详细介绍了MEG-II的现状与设计，该升级实验旨在通过改进探测器（包括新型圆柱形漂移室、基于SiPM的飞行时间和量能器系统，以及增强的数据获取系统）实现4×10⁻¹⁴的灵敏度。

ABSTRACT

Within the Standard Model, in spite of neutrino oscillations, the flavor of charged leptons is conserved in very good approximation, and therefore charged Lepton Flavor Violation is expected to be unobservable. On the other hand, most new physics models predict charged Lepton Flavor Violation within the experimental reach, and processes like the $μ o e γ$ decay became standard probes for physics beyond the Standard model. The MEG experiment, at the Paul Scherrer Institute (Switzerland), searches for the $μ o e γ$ decay, down to a Branching Ratio of about $5 imes 10^{-13}$, exploiting the most intense continuous muon beam in the world and innovative detectors. In this talk I will present the latest results from MEG, and the status of its upgrade (MEG-II), aiming at an improvement of the sensitivity by one order of magnitude within this decade.

研究动机与目标

• 搜索μ⁺→e⁺γ衰变中的带电轻子 flavor 破坏（cLFV），这是检验标准模型之外新物理的关键探针。
• 提高对cLFV过程（特别是μ→eγ）的实验灵敏度，以检验如超对称等理论模型所预测的可观测衰变速率。
• 开发并实施MEG-II，作为MEG实验的重大升级，目标实现比原始MEG实验高一个数量级的灵敏度。
• 通过先进的探测器设计与数据分析技术，减少由偶然符合与辐射衰变引起的本底。
• 实现能量校准0.2%的精度以及跟踪与时间测量的亚毫米级分辨率，以增强信号探测能力。

提出的方法

• MEG实验使用瑞士PSI的连续μ⁺束流，强度约为3×10⁷ μ⁺/s，正电子与光子通过磁谱仪与液态氙量能器进行探测。
• 采用基于DRS4芯片的全数字化触发系统，以1 GS/s的采样率对波形进行数字化，实现实时选择，利用能量、时间与位置信息。
• 信号重建依赖于五个区分性变量：正电子能量、光子能量、相对时间以及投影角（ϕₑᵧ, θₑᵧ），概率密度函数（PDF）基于探测器分辨率与蒙特卡罗模拟获得。
• 偶然本底通过在Eγ与Tₑᵧ平面中使用边带区域直接从数据建模，而辐射衰变本底则通过测量的运动学参数进行模拟。
• 采用带轮廓似然比的似然函数拟合，以设定90%置信水平的分支比上限，系统不确定性来自角度PDF。
• MEG-II将用单个圆柱形漂移室取代原有的16个平面漂移室，采用立体导线与He/异丁烷气体混合物，以减少材料预算并提高追踪效率。

实验结果

研究问题

• RQ1 μ⁺→e⁺γ衰变的当前实验上限分支比是多少？该结果如何约束新物理模型？
• RQ2 偶然本底与辐射衰变本底对μ→eγ搜索灵敏度的影响如何？采用何种方法进行建模与抑制？
• RQ3 MEG-II为实现相比MEG实验灵敏度提高一个数量级，需要进行哪些探测器升级？
• RQ4 MEG-II中新型基于SiPM的飞行时间与量能器系统相比原始的PMT基设计，在时间与能量分辨率方面有何提升？
• RQ5 MEG-II在动量、角度与能量分辨率方面的预期性能如何？这些性能如何影响最终的灵敏度？

主要发现

• MEG实验利用2009至2011年收集的36×10¹³个停止μ子，设定了μ⁺→e⁺γ分支比的90%置信水平上限为5.7×10⁻¹³。
• 考虑到2012至2013年的数据，完整MEG数据集的预期灵敏度将优于5×10⁻¹³，得益于分析算法的改进与本底抑制的增强。
• MEG-II的设计目标是实现4×10⁻¹⁴的分支比灵敏度，相比原始MEG实验提高一个数量级。
• MEG-II中新型圆柱形漂移室预计可实现径向空间分辨率为120 μm，轴向分辨率为1 mm，动量分辨率为130 keV，角度分辨率为5 mrad。
• MEG-II中基于SiPM的飞行时间计数器预计可实现30 ps的时间分辨率，显著提升对偶然符合事件的抑制能力。
• 采用SiPM的升级版液态氙量能器将能量分辨率提升至1%，并增强对浅转换事件与堆积光子的探测能力。