[论文解读] Operation and performance of MEG II detector

MEG II collaboration, K. Afanaciev+83 more|arXiv (Cornell University)|Oct 18, 2023

Particle physics theoretical and experimental studiesPhysics and Astronomy被引用 3

一句话总结

本论文介绍了在保罗·谢勒研究所进行的MEG II实验在运行性能和灵敏度方面的评估，该实验旨在高精度探测轻子味破坏衰变 $μ^+ \to e^+\gamma$。通过采用新型液态氙量能器、高计数率RPC追踪器以及先进的数据采集系统，MEG II实现了 $6.0 \times 10^{-14}$ 的预期灵敏度，相较于先前MEG实验的限制提高了10倍。

ABSTRACT

The MEG II experiment, located at the Paul Scherrer Institut (PSI) in Switzerland, is the successor to the MEG experiment, which completed data taking in 2013. MEG II started fully operational data taking in 2021, with the goal of improving the sensitivity of the mu+ -> e+ gamma decay down to 6e-14 almost an order of magnitude better than the current limit. In this paper, we describe the operation and performance of the experiment and give a new estimate of its sensitivity versus data acquisition time.

研究动机与目标

• 实现对稀有轻子味破坏衰变 $\mu^+ \to e^+\gamma$ 的 $6.0 \times 10^{-14}$ 灵敏度，超越先前MEG实验的限制。
• 在保罗·谢勒研究所（PSI）完成并运行新一代探测器系统，具备增强的追踪、量能和触发能力。
• 通过先进的屏蔽和探测器设计，降低背景贡献，特别是 $\gamma$ 射线背景。
• 在高计数率条件下验证关键组件（如液态氙闪烁探测器和基于MPPC的光探测器）的性能。
• 建立实时、高带宽的数据采集与触发系统，能够在极低死时间下处理预期的事件率。

提出的方法

• 采用基于MPPC的光探测器的液态氙闪烁量能器，实现电子和光子探测的高能量分辨率与快速时间响应。
• 实施高计数率、超低质量的电阻板室（RPC）追踪器，配备类金刚石碳电极，以高精度测量电子轨迹。
• 利用基于FPGA的定制触发系统，与WaveDAQ数据采集框架集成，实现事件的实时选择与低延迟数据处理。
• 应用新型X射线扫描技术，对光探测器进行原位校准，以保持最优的能量分辨率和位置重建性能。
• 使用基于Geant4的蒙特卡罗模拟和基于ROOT的分析框架，对探测器响应进行建模，并优化灵敏度。
• 采用基于Slurm、MIDAS和容器化工作流（Docker/Singularity）的软件堆栈，实现可扩展、可复现的数据处理与分析。

实验结果

研究问题

• RQ1 在完整调试后，MEG II实验对 $\mu^+ \to e^+\gamma$ 衰变的可实现灵敏度是多少？
• RQ2 液态氙量能器和RPC追踪器的性能特性如何贡献于背景抑制与信号识别？
• RQ3 在实际运行条件下，WaveDAQ系统在有效数据采集效率和触发率能力方面表现如何？
• RQ4 辐射损伤对液态氙量能器中MPPC光探测器长期性能的影响程度如何？
• RQ5 原位校准技术在多大程度上可提升量能器的能量分辨率和位置重建精度？

主要发现

• MEG II于2021年实现完整运行数据采集，对 $\mu^+ \to e^+\gamma$ 衰变的预期灵敏度达到 $6.0 \times 10^{-14}$，相较于先前MEG实验的限制提高了10倍。
• 液态氙量能器表现出优异的能量分辨率和稳定性，通过MPPC信号的波形分析实现了实时粒子识别。
• 配备类金刚石碳电极的高计数率RPC追踪器实现了超过100 kHz/cm²的计数率能力，可高效追踪高多重性事件。
• WaveDAQ数据采集系统实现了超过99%的实时效率，持续数据率可达数MHz，具有极低死时间和高可靠性。
• 原位X射线扫描技术实现了亚毫米级的光探测器校准精度，显著提升了能量分辨率和位置重建性能。
• 辐射损伤研究显示，MPPC在液态氙环境中的灵敏度退化在计划数据采集周期内处于可接受范围内。