[论文解读] The Mu2e Experiment at Fermilab

R. Kutschke|arXiv (Cornell University)|Dec 1, 2011

Particle physics theoretical and experimental studies被引用 7

一句话总结

费米国家加速器实验室的Mu2e实验提出在原子核的库仑场中搜索无中微子的μ子到电子转换，目标是在90%置信水平下实现 $ R_{\text{μe}} < 6.0 \times 10^{-17} $ 的灵敏度。通过使用精确触发的低本底μ子束流和具有高动量分辨率的磁谱仪，实验能够从μ子束缚态衰变的高能尾部分离出单能电子信号，从而探测高达10,000 TeV的新物理。

ABSTRACT

The Mu2e collaboration has proposed an experiment to search for the coherent, neutrino-less conversion of a muon into an electron in the Coulomb field of a nucleus with an expected sensitivity of $R_{μe}&lt;6.0 imes 10^{-17}$, at the 90% confidence level. Mu2e has received CD-0 approval from the US Department of Energy. If all resources are made available as required, the experiment could begin taking data as early as 2018.

研究动机与目标

• 通过在原子核库仑场中进行相干的μ子到电子转换来搜索带电轻子味破坏，该过程在标准模型中被禁止，但被许多新物理模型所预测。
• 实现90%置信水平下 $ R_{\text{μe}} < 6.0 \times 10^{-17} $ 的灵敏度，比先前的SINDRUM实验极限提高10,000倍。
• 探测新物理尺度高达约10,000 TeV，超越大型强子对撞机（LHC）的探测能力。
• 通过高精度动量测量和精心设计的触发时间窗口，将μ子束缚态衰变（DIO）的连续能谱与单能电子信号区分开来。

提出的方法

• 通过质子轰击产生低动量的负μ子束流，并将其输运至由薄铝箔组成的停止靶，μ子在此形成μ子原子。
• 实验在探测器磁体中使用1.0 T的磁场，引导并聚焦转换产生的电子，这些电子由具备每千分之一动量测量精度的高精度轨迹探测器进行追踪。
• 仅重建横向动量 $ p_T > 90\, \text{MeV}/c $ 的电子，确保仅测量μ子束缚态衰变（DIO）的高能尾部，而低 $ p_T $ 的DIO电子被剔除。
• 在每个质子束 train 之后设置770 ns的死时间，以等待瞬发本底（如 $ \pi^{-} $、$ e^{-} $）衰变，从而减少误触发信号。
• 束流消光要求为 $ 10^{-10} $，以最大限度减少非定时质子，从而抑制来自束流晕相互作用的次级本底。
• 背景通过建模进行估算，总背景为 $ 0.17 \pm 0.007 $ 个事件（对应 $ 3.6 \times 10^{20} $ 个质子撞击靶），主要贡献来自误测的DIO电子和辐射性 $ \pi^{-} $ 捕获。

实验结果

研究问题

• RQ1 Mu2e实验对分支比 $ R_{\text{μe}} $ 的灵敏度是多少？其中 $ R_{\text{μe}} $ 定义为μ子到电子转换率与μ子捕获率的比值？
• RQ2 实验如何将μ子到电子转换的单能电子信号与μ子束缚态衰变的连续能谱区分开来？
• RQ3 信号区域的预期本底水平是多少？通过时间窗口、磁聚焦和动量分辨率如何实现本底抑制？
• RQ4 在观测到 $ R_{\text{μe}} $ 达到 $ 10^{-17} $ 水平时，可探测的新物理尺度是多少？与直接的LHC搜索相比有何差异？
• RQ5 实验设计（包括束流消光和磁镜几何结构）如何最小化来自瞬发本底的误触发信号？

主要发现

• Mu2e实验设计目标为在90%置信水平下实现 $ R_{\text{μe}} < 6.0 \times 10^{-17} $，需累积 $ 3.6 \times 10^{20} $ 个质子撞击靶。
• 对于 $ R_{\text{μe}} = 10^{-15} $ 的信号率，实验预计可探测到约40个信号事例，背景低于0.2个事例。
• 主要本底来源为误测的DIO电子（0.009 ± 0.006 个事例）、辐射性 $ \pi^{-} $ 捕获（0.04 ± 0.02 个事例）、飞行中μ衰变（0.034 ± 0.017 个事例）以及宇宙射线诱导的本底（0.025 ± 0.025 个事例）。
• 在 $ 3.6 \times 10^{20} $ 个质子撞击靶下，总本底估计为 $ 0.17 \pm 0.007 $ 个事例，来自九种过程，包括稀有衰变和束流相关本底。
• 实验的磁跟踪系统确保仅重建 $ p_T > 90\, \text{MeV}/c $ 的电子，有效剔除DIO谱的主体部分，从而隔离出高能尾部。
• 束流消光要求 $ 10^{-10} $ 对于抑制由散射质子产生的次级非定时本底至关重要。