[论文解读] Testing Lepton Flavor Universality and CKM Unitarity with Rare Pion Decays in the PIONEER experiment

PIONEER Collaboration, W. Altmannshofer+59 more|arXiv (Cornell University)|Mar 10, 2022

Particle physics theoretical and experimental studies被引用 9

一句话总结

PIONEER实验提出了一项下一代稀有衰变实验，采用液态氙量能器和低增益雪崩二极管（LGAD）活性靶，以10⁴分之1的精度测量带电π介子分支比 $ R_{e/\mu} $。该测量检验轻子味 universality 和CKM幺正性，通过偏离标准模型预测，探测至PeV量级的新物理。

ABSTRACT

The physics motivation and the conceptual design of the PIONEER experiment, a next-generation rare pion decay experiment testing lepton flavor universality and CKM unitarity, are described. Phase I of the PIONEER experiment, which was proposed and approved at Paul Scherrer Institut, aims at measuring the charged-pion branching ratio to electrons vs.\ muons, $R_{e/μ}$, 15 times more precisely than the current experimental result, reaching the precision of the Standard Model (SM) prediction at 1 part in $10^4$. Considering several inconsistencies between the SM predictions and data pointing towards the potential violation of lepton flavor universality, the PIONEER experiment will probe non-SM explanations of these anomalies through sensitivity to quantum effects of new particles up to the PeV mass scale. The later phases of the PIONEER experiment aim at improving the experimental precision of the branching ratio of pion beta decay (BRPB), $π^+ o π^0 e^+ ν(γ)$, currently at $1.036(6) imes10^{-8}$, by a factor of three (Phase II) and an order of magnitude (Phase III). Such precise measurements of BRPB will allow for tests of CKM unitarity in light of the Cabibbo Angle Anomaly and the theoretically cleanest extraction of $|V_{ud}|$ at the 0.02\% level, comparable to the deduction from superallowed beta decays.

研究动机与目标

• 通过以10⁴分之1的前所未有的精度测量带电π介子衰变分支比 $ R_{e/\mu} $，检验轻子味 universality。
• 通过 $ R_{e/\mu} $ 中的偏离探测标准模型之外的新物理，对高达PeV质量尺度的新粒子敏感。
• 在后续阶段将π介子β衰变分支比 $ \pi^+ \to \pi^0 e^+ \nu(\gamma) $ 的测量精度提升至0.02%水平，以检验CKM幺正性并提取 $ |V_{ud}| $。
• 开发先进探测器技术，包括ATAR传感器、LXe量能器和基于SiPM的读出系统，实现高计数率、高精度的追踪与能量测量。
• 在PSI建立新的稀有衰变物理实验平台，整合稀有K介子衰变、μ子实验和高能对撞机物理领域的专业知识。

提出的方法

• 采用基于低增益雪崩二极管（LGAD）的活性靶（ATAR），实现对稀有π介子衰变产物的高精度四维追踪。
• 使用大接受度、深埋、快速且均匀的液态氙（LXe）量能器，具备优异能量分辨率，用于探测和测量来自 $ \pi^+ \to e^+ \nu $ 衰变的正电子。
• 采用由300 $\mu$m厚硅条或LGAD构成的圆柱形正电子追踪器，提升动量分辨率和粒子识别能力。
• 开展ATAR传感器原型的研发，重点研究能量分辨率和增益抑制机制，于 $\pi E5$ 和 $\pi E1$ 进行束流测试。
• 开发并测试LXe量能器原型，用于校准光子输运模拟，优化光学分段，评估光电传感器性能和材料特性。
• 对FPGA到CPU/GPU以及CPU到CPU的光学PCI-Express链路进行计数率测试，并评估CALO数据的压缩算法。

实验结果

研究问题

• RQ1 能否以10⁴分之1的精度测量带电π介子分支比 $ R_{e/\mu} $，从而实现对轻子味 universality 的敏感检验？
• RQ2 对 $ R_{e/\mu} $ 测量的灵敏度如何，可探测标准模型之外的新物理，特别是PeV质量尺度的新粒子？
• RQ3 能否以足够高的精度测量π介子β衰变分支比 $ \pi^+ \to \pi^0 e^+ \nu(\gamma) $，以检验CKM幺正性并实现 $ |V_{ud}| $ 在0.02%水平的提取？
• RQ4 在与实验相关的高计数率束流条件下，ATAR传感器、SiPM和LXe量能器等探测器组件的性能如何？
• RQ5 在分段、材料和读出电子学方面，圆柱形正电子追踪器和LXe量能器的最佳配置是什么？

主要发现

• PIONEER实验旨在以10⁴分之1的精度测量 $ R_{e/\mu} $，显著优于当前实验极限。
• 该实验设计用于通过涉及新粒子的量子修正，探测轻子味 universality 中的新物理效应，最高可达PeV质量尺度。
• PIONEER的I期计划于2029年启动，前提是关键组件如ATAR传感器和LXe量能器的R&D与原型测试成功。
• 原型开发包括在 $\pi E5$ 和 $\pi E1$ 的束流测试，2022年已获批两周束流时间以验证束流条件。
• LXe量能器R&D包括在麦吉尔大学使用2升LXe杜瓦和基于SiPM的装置，测试光电传感器性能和光学特性。
• 合作组正在开发原型APOLLO命令模块和四通道数字化板，用于触发和数据采集系统的原型设计。