[论文解读] Mu2e-II: Muon to electron conversion with PIP-II

K. Byrum, S. Corrodi+106 more|arXiv (Cornell University)|Mar 15, 2022

Particle Detector Development and Performance被引用 6

一句话总结

Mu2e-II 提出对费米实验室 Mu2e 实验的下一代升级，利用 PIP-II 加速器升级，将μ子到电子转换的灵敏度提升至少10倍，为标准模型之外的新物理提供强有力的探测手段。该设计整合了先进的束流线、螺线管、跟踪器和量能器系统，并采用混合蒙特卡罗模拟（TrackToy）来建模信号与本底过程，其关键探测器性能指标已通过完整 Geant4 模拟验证。

ABSTRACT

An observation of Charged Lepton Flavor Violation (CLFV) would be unambiguous evidence for physics beyond the Standard Model. The Mu2e and COMET experiments, under construction, are designed to push the sensitivity to CLFV in the mu to e conversion process to unprecedented levels. Whether conversion is observed or not, there is a strong case to be made for further improving sensitivity, or for examining the process on additional target materials. Mu2e-II is a proposed upgrade to Mu2e, with at least an additional order of magnitude in sensitivity to the conversion rate over Mu2e. The approach and challenges for this proposal are summarized. Mu2e-II may be regarded as the next logical step in a continued high-intensity muon program at FNAL.

研究动机与目标

• 显著提升对μ子到电子转换中带电轻子味破坏（CLFV）的灵敏度，为标准模型之外的物理学提供关键检验。
• 通过利用费米实验室 PIP-II 提升的质子束流功率和改进的束流线能力，探索下一代 Mu2e-II 实验的可行性。
• 识别最优靶材和探测器构型，以最大化信号灵敏度，同时最小化本底，特别是μ子轨道衰变和束流相关本底。
• 开发并验证一种混合蒙特卡罗模拟框架（TrackToy），准确模拟跟踪器响应、电子能量损失和重建效率，以支持未来探测器的优化。
• 评估辐射环境、束流终止和屏蔽要求，确保升级后设施的安全高效运行。

提出的方法

• 利用 TrackToy 混合蒙特卡罗模拟框架，对简化但精确的 Mu2e-II 探测器螺线管和跟踪器几何结构中的μ子停止、电子发射和跟踪过程进行建模。
• 采用 KinKal 算法在非均匀磁场中传播螺旋轨迹，模拟μ子在靶材料中停止后电子的运动路径。
• 基于 NIST EStar 表格，使用 Moyal 分布对停止靶和质子吸收体（IPA）中的电子能量损失进行建模，考虑多次散射和反向散射效应。
• 通过在可配置的单元密度、材料、分辨率和触发效率的中空圆柱形有效体积中传播电子轨迹，模拟跟踪器响应，采用基于中空管的几何结构和带有高斯抖动的信号时间。
• 采用两阶段 KinKal 轨迹拟合流程：首先使用数字触发信息（位置和时间），然后基于角动量符号的左右模糊性解析进行优化。
• 将量能器信号作为时间受限的触发点用于重建，通过高斯抖动建模位置和时间分辨率，以模拟真实探测器性能。

实验结果

研究问题

• RQ1 Mu2e-II 对μ子到电子转换的可实现灵敏度是多少？其随束流功率提升和探测器性能改进如何变化？
• RQ2 不同靶材如何影响信号与本底比，特别是与μ子轨道衰变（DIO）和辐射μ子捕获本底的关系？
• RQ3 TrackToy 模拟框架在多大程度上能准确复现完整 Geant4 模拟结果，关键探测器性能指标如动量分辨率和能量损失？
• RQ4 Mu2e-II 配置中的主要本底来源是什么？如何通过优化束流线设计、屏蔽和探测器几何结构来减轻？
• RQ5 跟踪器几何结构、材料和分辨率的变化如何影响实验的整体灵敏度和本底抑制能力？

主要发现

• TrackToy 模拟在μ子停止率、位置和时间方面与完整 Geant4 模拟结果高度一致，验证了其作为探测器性能研究快速准确代理的适用性。
• TrackToy 重建的动量分辨率和动量分布与 Geant4 模拟结果紧密匹配，证实了混合模拟方法的可靠性。
• 跟踪器模拟在 MacBook Pro 上实现了约 100 Hz 的事件处理速度，可在无需完整 Geant4 运行的情况下实现探测器参数的快速优化。
• 基于 NIST EStar 表格推导的 Moyal 分布能良好模拟靶材和质子吸收体（IPA）中的电子能量损失，其平均值和标准差与表格数据一致。
• 通过磁场梯度和多次散射引入反向散射效应，显著提升了能量损失建模的真实性，尤其对向后发射电子更为重要。
• 基于角动量符号的模糊性解析的多阶段 KinKal 拟合成功减少了错误轨迹重建，提升了跟踪系统对本底的抑制能力。