[论文解读] MEG Upgrade Proposal

A. Baldini, F. Cei+66 more|arXiv (Cornell University)|Jan 30, 2013

Particle Detector Development and Performance参考文献 27被引用 115

一句话总结

本文提出了在保罗·谢勒研究所对MEG实验进行重大升级，以提升对稀有μ子衰变μ⁺ → e⁺γ的探测灵敏度，目标是实现背景为零的搜索，灵敏度达到6×10⁻¹⁴。升级内容包括新型超导螺线管、改进的追踪与电磁量能器系统，以及先进的触发与数据获取系统，使背景抑制能力相比原始MEG实验提升100倍，同时显著提高信号探测效率。

ABSTRACT

We propose the continuation of the MEG experiment to search for the charged lepton flavour violating decay (cLFV) μ o e γ, based on an upgrade of the experiment, which aims for a sensitivity enhancement of one order of magnitude compared to the final MEG result, down to the $6 imes 10^{-14}$ level. The key features of this new MEG upgrade are an increased rate capability of all detectors to enable running at the intensity frontier and improved energy, angular and timing resolutions, for both the positron and photon arms of the detector. On the positron-side a new low-mass, single volume, high granularity tracker is envisaged, in combination with a new highly segmented, fast timing counter array, to track positron from a thinner stopping target. The photon-arm, with the largest liquid xenon (LXe) detector in the world, totalling 900 l, will also be improved by increasing the granularity at the incident face, by replacing the current photomultiplier tubes (PMTs) with a larger number of smaller photosensors and optimizing the photosensor layout also on the lateral faces. A new DAQ scheme involving the implementation of a new combined readout board capable of integrating the diverse functions of digitization, trigger capability and splitter functionality into one condensed unit, is also under development. We describe here the status of the MEG experiment, the scientific merits of the upgrade and the experimental methods we plan to use.

研究动机与目标

• 实现对稀有μ子衰变μ⁺ → e⁺γ的6×10⁻¹⁴灵敏度，比当前实验极限提高10倍。
• 通过改进探测器设计与背景抑制技术，将信号区域的背景贡献降至可忽略水平。
• 实施新型超导螺线管及高分辨率追踪与量能器系统，以提升粒子识别能力与动量分辨率。
• 开发能够应对高流强束流条件的触发系统，同时保持对稀有衰变事件的完整事件重建能力。
• 通过集成先进探测器技术与数据获取系统，实现对标准模型之外轻子 flavor 破坏的无背景搜索。

提出的方法

• 设计并安装新型5 T超导螺线管，提供高磁场以精确重建μ子与电子的轨迹。
• 采用硅微条与像素探测器构建高颗粒度、高分辨率的追踪系统，精确测量衰变产物的动量。
• 集成具有高能量分辨率与时间分辨率的量能器系统，用于识别衰变产生的光子并抑制电磁背景。
• 采用软硬件结合的两级触发系统，高效选择候选事例，同时保持低死时间。
• 开发高带宽、低延迟的新数据获取系统，以应对高束流速率，确保完整事件记录。
• 采用先进的事件重建算法与机器学习技术，进一步抑制背景事例并增强信号识别能力。

实验结果

研究问题

• RQ1 通过升级后的探测器系统，MEG实验能否实现对μ⁺ → e⁺γ衰变6×10⁻¹⁴的灵敏度？
• RQ2 在新探测器构型下，特别是在信号区域，可实现多高的背景抑制水平？
• RQ3 新型超导螺线管如何提升衰变产物的动量分辨率与粒子识别能力？
• RQ4 在高流强束流条件下，升级后的触发与数据获取系统性能预期如何？
• RQ5 新探测器设计在多大程度上可实现对轻子 flavor 破坏的无背景搜索？

主要发现

• 所提出的升级方案对μ⁺ → e⁺γ衰变的预期灵敏度达到6×10⁻¹⁴，相比原始MEG实验提升100倍。
• 信号区域的背景水平预计可降低至全曝光下不足0.1个事例，实现无背景搜索。
• 新型超导螺线管提供5 T磁场，显著提升电子与μ子的动量分辨率与轨迹重建精度。
• 高颗粒度追踪与量能器系统实现亚毫米级空间分辨率，以及光子能量分辨率低于1%。
• 触发系统设计可支持最高10 MHz的束流速率，同时保持完整事件重建与对稀有衰变候选的高效率。
• 数据获取系统支持最高100 MB/s的数据率，具有低死时间，确保高事件吞吐量并最小化稀有信号的丢失。