[论文解读] Searching for the mu into e gamma decay with MEG and MEG-II

G. Cavoto|arXiv (Cornell University)|Jul 31, 2014

Particle Detector Development and Performance参考文献 1被引用 3

一句话总结

该论文展示了MEG实验在瑞士保罗谢勒研究所（PSI）利用3.6 × 10¹⁴个停止的μ子，测得μ⁺ → e⁺γ这一罕见轻子味破坏衰变分支比的世界领先上限为5.7 × 10⁻¹³。MEG-II升级项目通过提升探测器分辨率并降低本底，预计三年内可将灵敏度提升至5 × 10⁻¹⁴，显著推进对标准模型之外新物理的探索。

ABSTRACT

The MEG collaboration searches for the mu to e gamma decay at the muon beam line PiE5 of the Paul Scherrer Institut in Switzerland. The world best upper limit has been set to be BR(mu to e gamma) < 5.7 10^-13 at 90% C.L. analyzing a data set of 3.6 10^14 stopped muons on target. An upgrade program of the detector (MEG-II) should lead to a sensitivity at a level of few 10^-14 within the next five years.

研究动机与目标

• 通过寻找轻子味破坏衰变μ⁺ → e⁺γ，作为探索标准模型之外新物理的探针。
• 通过减少本底贡献并提升探测器分辨率，提高对μ⁺ → e⁺γ衰变的实验灵敏度。
• 利用MEG实验数据，设定μ⁺ → e⁺γ分支比的新世界领先上限。
• 开发并实施MEG-II升级，以实现约5 × 10⁻¹⁴的灵敏度，从而更深入探索新物理模型。
• 通过改进正电子与光子重建、时间分辨及探测器颗粒度，降低主要的偶然本底。

提出的方法

• 在PSI的πE5束流线上使用连续正μ子束流，μ子在薄靶上停止的速率为3 × 10⁷ μ⁺/s。
• 采用带有梯度磁场的谱仪和低质量漂移室追踪正电子，将高动量轨迹引导至快速闪烁体阵列以实现时间测量。
• 使用900升液态氙量能器配合光电倍增管探测光子，实现约60%的光子探测效率。
• 采用盲分析程序，在信号区域掩蔽，直至背景和信号的概率密度函数（PDF）最终确定，利用边带区域估算背景。
• 在指定分析区域内进行最大似然拟合：48 < Eγ < 58 MeV，50 < Ee < 56 MeV，|teγ| < 0.7 ns，|θeγ| < 50 mrad，|φeγ| < 50 mrad。
• 通过π⁰衰变（Eγ）、米切尔谱拟合（Ee）和RMD事例（teγ）校准信号PDF，使用专用样本校准角度分辨率。

实验结果

研究问题

• RQ1 μ⁺ → e⁺γ衰变的当前世界领先上限分支比是多少？
• RQ2 MEG实验如何抑制来自正电子-光子符合的主导偶然本底？
• RQ3 为实现MEG-II实验5 × 10⁻¹⁴的灵敏度，探测器分辨率与设计需进行哪些改进？
• RQ4 MEG-II升级如何降低偶然本底（其大小与μ子停止率和探测器分辨率的平方成正比）？
• RQ5 MEG-II探测器在正电子追踪、时间分辨与光子重建方面的增强，能在多大程度上提升对μ⁺ → e⁺γ衰变的灵敏度？

主要发现

• 基于3.6 × 10¹⁴个停止的μ子，MEG实验将μ⁺ → e⁺γ衰变的分支比世界最佳上限定为5.7 × 10⁻¹³（90%置信水平）。
• 当前MEG探测器的灵敏度估计为7.7 × 10⁻¹³，完整数据集的最终结果预计可达5.0 × 10⁻¹³。
• MEG-II预计在三年正常数据采集后，灵敏度可达5.0 × 10⁻¹⁴，μ子停止速率为7 × 10⁷ μ⁺/s。
• MEG-II升级包括一根长2米的单体漂移室，含1200个单元，将正电子追踪分辨率提升至核心区域1.6 mm（Z方向）和0.7 mm（Y方向）。
• 正电子时间分辨预计从122 ps提升至84 ps，光子能量分辨率将降低至1.1%（w < 2 cm）和1.0%（w > 2 cm）。
• 正电子探测效率预计从MEG的40%提升至MEG-II的88%，通过分段闪烁体板与SiPM读出，实现更优的时间分辨与重建性能。