[论文解读] Research Proposal for an Experiment to Search for the Decay μ -> eee

A. Blondel, A. Bravar+23 more|arXiv (Cornell University)|Jan 25, 2013

Particle physics theoretical and experimental studies参考文献 60被引用 136

一句话总结

本文提出Mu3e实验，旨在以每10¹⁶次μ⁺衰变中1次的灵敏度，搜索轻子味违反衰变μ⁺ → e⁺e⁻e⁺。通过采用高精度硅像素探测器（HV-MAPS）和基于SiPM的闪烁纤维束射计时探测器，实验利用高空间与时间分辨率实现本底抑制，从而实现对标准模型之外新物理的前所未有的灵敏度。

ABSTRACT

We propose an experiment (Mu3e) to search for the lepton flavour violating decay mu+ -> e+e-e+. We aim for an ultimate sensitivity of one in 10^16 mu-decays, four orders of magnitude better than previous searches. This sensitivity is made possible by exploiting modern silicon pixel detectors providing high spatial resolution and hodoscopes using scintillating fibres and tiles providing precise timing information at high particle rates.

研究动机与目标

• 搜索标准模型中被禁止的轻子味违反衰变μ⁺ → e⁺e⁻e⁺。
• 实现每10¹⁶次μ⁺衰变中1次的灵敏度，比以往搜索提高四个数量级。
• 检验预测轻子味违反的电弱新物理模型。
• 开发并部署一种新型探测器系统，结合高颗粒度像素追踪与精确时间测量，以抑制主要本底。
• 制定分阶段实验计划，利用PSI现有的和未来的高流强μ⁺束线。

提出的方法

• 在中央追踪器中使用高压单片有源像素传感器（HV-MAPS），以实现高空间分辨率和低材料预算。
• 采用闪烁纤维束射计时器配合硅光电倍增管（SiPMs），提供电子识别的精确飞行时间信息。
• 使用回旋器（recurlers）在多重散射环境中实现高分辨率的μ⁺动量测量。
• 在GEANT4模拟中集成时间结构模型，以准确模拟探测器响应与本底过程。
• 通过在线事件过滤与高带宽数据采集系统，处理高达10⁸ s⁻¹的μ⁺衰变率。
• 应用先进的轨迹重建与顶点拟合算法，识别三电子末态并抑制组合本底。

实验结果

研究问题

• RQ1 在高流强μ⁺束线上的新一代探测器中，检测稀有衰变μ⁺ → e⁺e⁻e⁺的灵敏度阈值是多少？
• RQ2 HV-MAPS与飞行时间束射计时器在抑制μ → eeeνν̄内部转换主导本底方面效果如何？
• RQ3 如何优化探测器几何结构与材料预算，以在最小化多重散射的同时最大化动量分辨率与信号接受度？
• RQ4 像素探测器与纤维探测器的空间与时间分辨率的联合性能如何影响偶然本底的抑制？
• RQ5 在μ⁺流强超过10⁹ s⁻¹的高流强束线中扩展实验的技术与成本影响是什么？

主要发现

• Mu3e实验的目标是实现90%置信水平下B(μ⁺ → e⁺e⁻e⁺) < 10⁻¹⁶，相比以往限制提高四个数量级。
• 第一阶段实验利用现有束线（约10⁸ μ⁺/s）将实现约10⁻¹⁵的灵敏度，比以往搜索提高三个数量级。
• 采用HV-MAPS可实现高颗粒度与低材料预算，这对高多重性环境中精确轨迹重建与顶点定位至关重要。
• 像素追踪与飞行时间测量的结合使偶然本底低于10⁻¹⁶的灵敏度阈值。
• 探测器设计（包括回旋器与双层像素系统）经过优化，可实现足够高的动量分辨率，以区分信号与主要的μ → eeeνν̄本底。
• 第一阶段成本估算约为1910 KCHF，磁铁向海德堡大学借用；第二阶段成本估算约为1460 KCHF，待束线可用性确认。