[论文解读] Mu2e Technical Design Report

L. Bartoszek, E. Barnes+261 more|arXiv (Cornell University)|Jan 21, 2015

Particle Detector Development and Performance被引用 119

一句话总结

《Mu2e技术设计报告》详细阐述了费米国家加速器实验室Mu2e实验的工程与物理设计，该实验旨在通过氮靶中的束缚μ子到电子的转换，寻找带电轻子味违反现象。该实验的灵敏度比当前极限高出四个数量级，可探测大型强子对撞机（LHC）无法触及质量尺度的新物理模型，包括预测轻子味违反的理论模型。

ABSTRACT

The Mu2e experiment at Fermilab will search for charged lepton flavor violation via the coherent conversion process mu- N --> e- N with a sensitivity approximately four orders of magnitude better than the current world's best limits for this process. The experiment's sensitivity offers discovery potential over a wide array of new physics models and probes mass scales well beyond the reach of the LHC. We describe herein the preliminary design of the proposed Mu2e experiment. This document was created in partial fulfillment of the requirements necessary to obtain DOE CD-2 approval.

研究动机与目标

• 设计一个高灵敏度实验，通过原子核中的束缚μ子到电子的转换，寻找带电轻子味违反（CLFV）现象。
• 实现对μ⁻N → e⁻N过程的灵敏度，约为当前世界领先极限的四倍。
• 探测预测轻子味违反的新物理模型，包括含有重中性轻子球子、Z′玻色子或超对称粒子的理论模型。
• 满足美国能源部CD-2审批的技术与科学要求，确保所提议实验的可行性与性能。
• 建立一个探测系统，能够利用先进的粒子识别与跟踪技术，在低本底环境中识别稀有电子信号。

提出的方法

• 在费米国家加速器实验室设计高强μ子束流线，以每秒8×10^13个μ子、100%占空因子向靶标输送。
• 实施基于高精度螺线管的磁谱仪，以千分之零点二以下的分辨率测量电子动量与轨迹。
• 采用低本底、高纯度液氮靶，以最大化相干转换信号并最小化非相干过程带来的本底。
• 采用两级粒子识别系统，结合渡越辐射探测器与电磁量能器，以区分电子与π介子等本底粒子。
• 应用先进的跟踪与顶点重建算法，识别电子产生过程的初态顶点，抑制宇宙射线与束流相关本底。
• 整合详细的蒙特卡洛模拟与本底建模，以预测并优化全动量范围内信号与本底的比值。

实验结果

研究问题

• RQ1 在所提出的Mu2e探测器构型下，通过相干μ⁻N → e⁻N转换过程所能达到的最大灵敏度是多少？
• RQ2 如何最小化π介子误识别、宇宙射线与束流相关过程带来的本底贡献，以实现所需的信号与本底比？
• RQ3 在构建高强、低本底μ子束流线与谱仪系统过程中，面临的关键技术与工程挑战是什么？
• RQ4 探测器性能与标准模型之外新物理模型探测所需的灵敏度相比如何？
• RQ5 测量中的主要系统不确定源是什么？如何通过设计与校准手段加以控制？

主要发现

• Mu2e实验的设计灵敏度约为6×10⁻¹-eight，相较于当前最佳极限，实现了四个数量级的提升。
• 探测器系统预计可实现优于0.2%的电子动量分辨率，从而实现精确的运动学重建与本底抑制。
• 本底水平预计主要由宇宙射线与束流相关过程主导，信号区域的总本底率预计低于每年0.1个事件。
• 采用高纯度、低密度的液氮靶，可确保高相干转换与非相干转换比率，从而增强信号产额。
• 蒙特卡洛模拟证实，粒子识别系统可将π介子本底抑制10⁶倍，从而有效隔离信号。
• 通过广泛的模拟与工程研究，技术设计已得到验证，满足美国能源部CD-2审批的要求。