[论文解读] Snowmass2021 Whitepaper: Muonium to antimuonium conversion

Ai-Yu Bai, Yu Chen+22 more|arXiv (Cornell University)|Mar 22, 2022

Muon and positron interactions and applications被引用 4

一句话总结

本文提出了MACE实验，旨在搜寻μ子偶素到反μ子偶素的转换，这是一种罕见的带电费米子味违反过程，是标准模型之外新物理的明确信号。通过利用高强度μ子束流、磁谱仪以及先进的追踪与时间测量技术，MACE有望将转换概率的灵敏度提升超过两个数量级，超越目前PSI实验设定的90%置信水平下$8.3 \times 10^{-11}$的极限。

ABSTRACT

The spontaneous muonium to antimuonium conversion is one of the interesting charged lepton flavor violation processes. It serves as a clear indication of new physics and plays an important role in constraining the parameter space beyond Standard Model. MACE is a proposed experiment to probe such a phenomenon and expected to enhance the sensitivity to the conversion probability by more than two orders of magnitude from the current best upper constraint obtained by the PSI experiment two decades ago. Recent developments in the theoretical and experimental aspects to search for such a rare process are summarized.

研究动机与目标

• 通过罕见的μ子偶素到反μ子偶素转换过程，搜寻带电费米子味违反（cLFV），这是标准模型之外新物理的明确信号。
• 通过探测与跷跷板机制相关的cLFV过程，解决中微子质量生成机制的未解之谜，特别是类型-II和混合跷跷板模型中的情况。
• 显著提升对μ子偶素到反μ子偶素转换的灵敏度，超越当前实验限制两个多数量级。
• 开发一种基于高强度慢μ子束流、优化磁谱仪和先进背景抑制技术的高精度实验概念设计。
• 通过模拟探测器响应、优化信号识别并最小化来自稀有标准模型过程和宇宙射线的背景，评估探测该稀有过程的可行性。

提出的方法

• 在真空中利用慢μ子束流实现高效率的μ子偶素形成过程，以产生μ子偶素原子。
• 采用磁谱仪探测并识别μ子衰变和反μ子偶素湮灭产生的带电粒子，实现精确的动量和电荷重建。
• 实施高精度的时间与位置重建，通过飞行时间测量识别相互作用顶点，并区分信号事件与背景。
• 应用先进的追踪算法和优化的判据指标，以提升物理灵敏度，并有效区分信号事件与背景源。
• 使用蒙特卡罗模拟建模探测器响应，包括微通道板（MCP）中的二次电子发射，并与理论模型进行验证。
• 采用双信号识别策略：探测μ子衰变产生的高能电子和反μ子偶素湮灭中来自原子壳层的正电子，以确认转换事件。

实验结果

研究问题

• RQ1 在预测其极端稀有的前提下，当前及下一代实验技术是否能够观测到μ子偶素到反μ子偶素的转换过程？
• RQ2 在所提出的MACE实验中，探测μ子偶素到反μ子偶素转换概率的最大灵敏度可达何种水平？
• RQ3 稀有标准模型过程（如三体衰变$\mu^+ \to e^+ \nu_e \bar{\nu}_\mu$并伴随额外$e^+e^-$对）如何对信号区域的背景产生贡献？
• RQ4 探测器的能量分辨率和时间分辨率在多大程度上可抑制来自稀有衰变连续能谱的本征背景？
• RQ5 磁谱仪、飞行时间测量与顶点重建的组合能否有效区分信号事件与宇宙射线及束流相关背景？

主要发现

• 目前对μ子偶素到反μ子偶素转换概率的实验上限为$P \lesssim 8.3 \times 10^{-11}$（90%置信水平），由PSI实验于1999年设定，且超过二十年来未被挑战。
• MACE实验设计旨在将μ子偶素到反μ子偶素转换概率的灵敏度提升超过两个数量级，达到$10^{-13}$量级或更优。
• 初步蒙特卡罗模拟表明，通过磁谱仪中的飞行时间与最近接近距离，探测器系统可被优化以有效区分信号事件与背景。
• MCP中二次电子发射的探测器响应与理论模型具有良好一致性，仅存在微小系统偏差，支持高精度信号探测的可行性。
• 来自稀有标准模型过程（如$\mu^+ \to e^+ \nu_e \bar{\nu}_\mu e^+ e^-$，分支比为$(3.4 \pm 0.4) \times 10^{-5}$）的背景，预计可通过探测器能量分辨率得到抑制，并可通过事件重建进一步缓解。
• 理论模型（包括类型-II和混合跷跷板情景）预测，双荷希格斯玻色子可在树图层次介导μ子偶素到反μ子偶素的转换，为该搜索提供了强有力的动机。