Letter Of Intent for a future $μ^+ \to \mathrm{e}^+ γ$ experiment at the High Intensity Muon Beam facility at PSI

Dieses Letter of Intent schlägt vor, am PSI-HIMB-Facility ein neues Experiment zur Suche nach dem Zerfall $\mu^+ \to e^+\gamma$ zu realisieren, um die Sensitivität innerhalb des nächsten Jahrzehnts im Vergleich zum aktuellen MEG-II-Experiment um mehr als eine Größenordnung zu verbessern und so die Führungsrolle von PSI in diesem Forschungsfeld zu sichern.

Das Wesentliche

Das große Jagd-Abenteuer: Auf der Suche nach dem „unmöglichen" Zerfall

Stellen Sie sich das Universum als ein riesiges, strenges Gesetzgebungsgebäude vor. Die Standardmodell-Physik ist der Hausmeister, der alle Regeln überwacht. Eine dieser Regeln besagt: Ein Myon (ein schwerer Cousin des Elektrons) darf sich nicht einfach so in ein Elektron und ein Lichtteilchen (Photon) verwandeln. Es ist wie ein Verbot, aus einem Apfel plötzlich eine Birne zu machen.

Bisher hat niemand diesen „Verwandlungs-Trick" gesehen. Aber viele Physiker glauben, dass es im Hintergrund eine geheime neue Physik gibt, die diese Regel brechen könnte. Wenn wir diesen Zerfall ($\mu^+ \to e^+ \gamma$) finden, ist es wie der Beweis, dass der Hausmeister nicht alles kontrolliert – und wir haben eine Tür zu einer völlig neuen Welt geöffnet.

Die aktuelle Situation: Ein sehr langsames Suchen

Derzeit läuft das Experiment MEG II am Paul Scherrer Institut (PSI) in der Schweiz. Es ist wie ein extrem scharfes Suchteam, das nach diesem einen, seltenen Apfel-Birnen-Trick sucht.

• Das Problem: Die Myonen, die sie untersuchen, kommen nur in kleinen Mengen an. Es ist, als würde man versuchen, eine einzelne Nadel in einem Heuhaufen zu finden, aber man bekommt nur einen winzigen Haufen Stroh pro Stunde.
• Das Ziel: Das Team will die Suche so verbessern, dass sie nicht nur die Nadel finden, sondern den ganzen Heuhaufen durchsuchen können, falls die Nadel doch nicht da ist.

Der neue Plan: Der „Super-Myonen-Strom"

Das Dokument ist ein Absichtserklärung (Letter of Intent). Es sagt im Grunde: „Wir wollen ein viel größeres, besseres Experiment bauen."

Das Herzstück dieses Plans ist eine neue Maschine namens HIMB (High Intensity Muon Beam).

• Die Analogie: Stellen Sie sich den aktuellen Myonen-Strahl wie einen sanften Gartenhahn vor, der tropft. Der neue HIMB-Strahl ist wie ein gewaltiger Feuerwehrschlauch, der 100-mal mehr Wasser (Myonen) pro Sekunde liefert.
• Der Vorteil: Mit so viel mehr „Wasser" können wir viel schneller nach der Nadel suchen. Aber das bringt ein neues Problem mit sich: Wenn zu viel Wasser auf einmal kommt, wird der Boden nass und alles verschwimmt. Das bedeutet: Wenn wir zu viele Myonen haben, vermischen sich die Signale, und wir sehen nichts mehr.

Die Lösung: Ein neuer Detektor-Typ (Die „Transformation")

Um mit diesem riesigen Strom zurechtzukommen, müssen wir die Art und Weise ändern, wie wir die Teilchen „sehen".

1. Der alte Weg (Kalorimeter): Bisher fingen die Detektoren das Lichtteilchen (Photon) einfach auf, wie ein Eimer, der Wasser auffängt. Das ist gut, aber bei viel Wasser läuft der Eimer über oder wird ungenau.
2. Der neue Weg (Konversions-Spektrometer): Der neue Plan ist cleverer. Statt das Photon einfach aufzufangen, lassen wir es durch eine dünne, spezielle Schicht fliegen. Dort trifft es auf einen Atomkern und verwandelt sich in ein Elektron und ein Positron (eine Art Materie-Antimaterie-Paar).
   • Die Analogie: Stellen Sie sich vor, Sie wollen einen unsichtbaren Geist (das Photon) fangen. Anstatt ihn direkt zu greifen, werfen Sie ein Netz aus, das ihn zwingt, sich in zwei sichtbare Vögel (Elektron und Positron) zu verwandeln. Diese Vögel fliegen dann durch einen starken Magneten. Da wir genau wissen, wie sie fliegen, können wir berechnen, woher der Geist kam und wie schnell er war.
   • Warum das besser ist: Diese Methode ist viel präziser und kann mit dem riesigen Wasserstrahl des HIMB umgehen, ohne zu überlaufen.

Der Fahrplan: Schritt für Schritt zum Erfolg

Das Team plant nicht, alles auf einmal zu bauen. Das wäre zu riskant. Stattdessen gibt es einen drei-stufigen Plan:

• Phase 0 (Der Beweis): Zuerst bauen wir ein kleines Modell im Labor. Wir testen, ob unsere Idee mit der „Verwandlung" des Photons wirklich funktioniert. Das ist wie das Testen eines neuen Flugzeug-Prototyps in einer Windkanal-Halle, bevor man ihn fliegen lässt.
• Phase I (Der erste große Schritt): Wir bauen ein erstes großes Experiment, das noch nicht ganz so stark ist wie der finale Plan, aber schon viel besser als das alte MEG II. Wir nutzen einen normalen Strahl, um die Technik zu testen und die Sensitivität zu verdoppeln.
• Phase II (Das Finale): Wenn Phase I erfolgreich ist, bauen wir das riesige Endexperiment. Dann nutzen wir den vollen „Feuerwehrschlauch" (HIMB) und unsere neue Technik, um die empfindlichste Suche aller Zeiten durchzuführen.

Warum ist das wichtig?

Wenn wir diesen Zerfall finden, ist es eine Sensation. Es würde beweisen, dass es Teilchen oder Kräfte gibt, die wir noch nicht kennen.

• Der Vergleich: Andere Experimente suchen nach ähnlichen Tricks, aber auf andere Weise (z. B. $\mu \to eee$ oder $\mu \to e$ Konversion). Wenn eines davon einen Treffer landet, müssen wir wissen, welche Art von neuer Physik dahintersteckt. Dazu müssen wir auch den $\mu \to e \gamma$ Zerfall mit gleicher Präzision messen. Nur so können wir die verschiedenen Theorien voneinander unterscheiden.

Zusammenfassung

Dieses Dokument ist der Bauplan für das MEG3-Experiment. Es ist ein mutiger Plan, die Grenzen der Physik zu verschieben, indem man:

1. Einen extrem starken Myonen-Strahl nutzt (HIMB).
2. Eine neue, clevere Technik entwickelt, um Photonen in messbare Teilchenpaare zu verwandeln.
3. Schritt für Schritt vorgeht, um sicherzustellen, dass alles funktioniert.

Es ist wie der Bau eines neuen, superschnellen Rennwagens, um ein Geheimnis zu lüften, das seit Jahrzehnten verborgen bleibt. Wenn es klappt, werden wir einen Blick in die Zukunft der Physik werfen können.

Technische Zusammenfassung

1. Problemstellung und Motivation

Das vorliegende Dokument adressiert die Suche nach der Verletzung der geladenen Lepton-Flavour-Erhaltung (cLFV) im Myon-Sektor, speziell den Zerfall $\mu^+ \to e^+ \gamma$.

• Physikalischer Hintergrund: Im Standardmodell (SM) ist dieser Zerfall extrem unterdrückt (Verzweigungsverhältnis $\sim 10^{-54}$). Ein Nachweis wäre ein eindeutiger Beweis für Physik jenseits des Standardmodells (New Physics, NP).
• Aktueller Status: Das aktuelle Experiment MEG II am PSI hat die beste Obergrenze gesetzt ($B < 1.5 \times 10^{-13}$) und wird bis 2026 eine Sensitivität von $6 \times 10^{-14}$ erreichen.
• Herausforderung: Andere laufende oder geplante Experimente (Mu3e, Mu2e, COMET) suchen nach verwandten Prozessen ($\mu^+ \to e^+ e^+ e^-$ und $\mu^- N \to e^- N$). Um zwischen verschiedenen NP-Modellen unterscheiden zu können (z. B. Dipol-Interaktionen vs. Vier-Fermion-Kontaktwechselwirkungen), müssen die Sensitivitäten aller Kanäle vergleichbar sein.
• Ziel: Um in dipol-dominierten Szenarien konkurrenzfähig zu bleiben und in der Zukunft auch mit den ultimativen $\mu \to e$-Konversionsexperimenten Schritt zu halten, muss die Sensitivität für $\mu^+ \to e^+ \gamma$ um mehr als eine Größenordnung gegenüber dem Endresultat von MEG II verbessert werden (Ziel: $< 10^{-14}$ bis hin zu einigen $10^{-15}$).

2. Methodik und Experimentelles Konzept

Das Projekt plant einen gestuften Ansatz (Phase-I und Phase-II), um die Sensitivität schrittweise zu steigern, indem die Myon-Strahlintensität und die Detektortechnologie optimiert werden.

A. Strahlbedingungen

• Phase-I: Nutzung der bestehenden HIPA-Anlage mit einer Myon-Stopprate von bis to $R_\mu \approx 2 \times 10^8 \, \mu^+/\text{s}$.
• Phase-II: Nutzung des zukünftigen High Intensity Muon Beam (HIMB)-Facility am PSI mit Raten bis zu $R_\mu \approx 10^{10} \, \mu^+/\text{s}$. Dies erfordert eine drastische Reduktion des Untergrunds durch verbesserte Zeit- und Winkelauflösung, da der zufällige Untergrund (Accidental Background) quadratisch mit der Strahlrate skaliert.

B. Detektorkonzept (Abweichung von MEG II)

Im Gegensatz zu MEG II, das ein Flüssig-Xenon (LXe) Kalorimeter für Photonen verwendet, schlägt das neue Konzept eine Konversionsmethode vor:

1. Photonen-Rekonstruktion (Baseline):

   • Photonen werden in einer dünnen, aktiven Konverter-Schicht (z. B. LYSO-Kristalle) in ein $e^+e^-$-Paar umgewandelt.
   • Das Paar wird in einem magnetischen Spektrometer (z. B. radialer TPC oder Gasdetektoren) präzise vermessen.
   • Vorteil: Deutlich bessere Energie- und Winkelauflösung als bei Kalorimetern, was essenziell ist, um den Untergrund bei hohen Strahlraten zu unterdrücken.
   • Herausforderung: Geringe Umwandlungseffizienz, die durch mehrere Schichten und hohe Strahlraten kompensiert werden muss.
   • Backup-Lösung: Ein Kalorimeter aus LYSO- oder LaBr$_3$(Ce)-Kristallen mit SiPM-Auslesung wird als Alternative untersucht.

2. Positronen-Rekonstruktion:

   • Phase-I: Nutzung eines gasgefüllten Driftkammern-Systems (ähnlich MEG II), optimiert für höhere Raten.
   • Phase-II: Einsatz von Silizium-Pixel-Detektoren (HVMAPS), ähnlich wie im Mu3e-Experiment, um die extrem hohe Strahlrate und die notwendige Impulsauflösung (dominiert durch Mehrfachstreuung) zu bewältigen.
   • Ein aktiver Myon-Stopptarget wird vorgeschlagen, um den Vertex präzise zu bestimmen.

3. Magnetische Konfiguration:

   • Zwei Optionen werden diskutiert:
     • Einzelner Solenoid: Positronen- und Photonenspektrometer in einem gemeinsamen Magnetfeld (kompakt, aber technische Herausforderungen bei der Feldhomogenität).
     • Solenoid-Toroid: Positronen im Solenoid, Photon-Konverter im äußeren Toroidfeld (unabhängige Feldoptimierung, aber mehr Material vor dem Photonendetektor).

4. Zeitmessung:

   • Ziel ist eine Zeitauflösung von $\sim 20\text{--}30$ ps für beide Teilchen (Positron und Photon), um zufällige Koinzidenzen zu unterdrücken. Dies erfordert neue Zeitmessdetektoren (z. B. kleine Szintillatoren oder LGADs).

3. Schlüssige Beiträge und Roadmap

Das Dokument definiert einen klaren Fahrplan mit drei Phasen:

• Phase-0 (Proof-of-Concept):

  • Ziel: Validierung der Konversionsmethode.
  • Aktivitäten: Strahltests mit Elektronen/Photonen an LYSO-Kristallen und TPCs (z. B. an KEK oder PSI), um Zeit- und Energieauflösung sowie die Effizienz der aktiven Konverter zu messen.
  • Zeitrahmen: Kurzfristig (bis ca. 2028/2029).

• Phase-I (Frühe 2030er Jahre):

  • Standort: Bestehende Strahlleitungen (z. B. $\pi$E5) mit $R_\mu \approx 2 \times 10^8 \, \mu^+/\text{s}$.
  • Ziel: Sensitivitätssteigerung auf $\sim 1.5 \times 10^{-14}$ (deutlich besser als MEG II).
  • Komponenten: Nutzung von Gasdetektoren für Positronen, erste Implementierung des Konverters, Entwicklung des Trigger-Systems für Streaming-DAQ.
  • Bedeutung: Risikominimierung und Validierung der Technologie vor dem Einsatz am HIMB.

• Phase-II (Zweite Hälfte der 2030er Jahre):

  • Standort: HIMB-Facility mit $R_\mu \ge 10^9 \, \mu^+/\text{s}$.
  • Ziel: Endgültige Sensitivität im Bereich von einigen $10^{-15}$.
  • Komponenten: Vollständiger Einsatz von Silizium-Pixel-Trackern (basierend auf Mu3e-Erfahrung), mehrschichtige aktive Konverter, dedizierte Magnete.

4. Erwartete Ergebnisse und Sensitivität

Basierend auf Simulationen und den in Tabelle 1 zusammengefassten Detektorparametern werden folgende Sensitivitäten prognostiziert:

• Phase-I: Mit einer Strahlrate von $2 \times 10^8 \, \mu^+/\text{s}$ und einer Konverter-Schicht wird eine Obergrenze für das Verzweigungsverhältnis von ca. $1.5 \times 10^{-14}$ erreicht. Dies übertrifft das Endresultat von MEG II bereits erheblich.
• Phase-II: Mit einer Rate von $> 10^9 \, \mu^+/\text{s}$ und vier Konverter-Schichten wird eine Sensitivität von $(2\text{--}3) \times 10^{-15}$ erwartet.
• Physikalische Relevanz: Diese Sensitivität würde es ermöglichen, in einem weiten Bereich von New-Physics-Modellen (insbesondere dipol-dominierte Szenarien) mit den anderen cLFV-Experimenten (Mu3e, Mu2e) gleichzuziehen oder diese sogar zu übertreffen. Dies ist entscheidend, um die Natur eines potenziellen Signals zu entschlüsseln.

5. Bedeutung und Fazit

Dieser Letter of Intent markiert einen strategischen Wendepunkt für die cLFV-Forschung am PSI.

• Führungsrolle: Das Projekt sichert die langfristige Führungsrolle des PSI in diesem Forschungsfeld, insbesondere angesichts der geplanten HIMB-Infrastruktur.
• Technologische Innovation: Es treibt die Entwicklung neuartiger Detektortechnologien voran, insbesondere die Kombination aus aktiven Konvertern und hochauflösenden Spektrometern sowie die Integration von Silizium-Pixel-Detektoren für Myonzerfälle.
• Synergie: Durch die Abstimmung mit Mu3e (gleiche Detektortechnologien, gemeinsame Nutzung von HIMB) wird Ressourcenverschwendung vermieden und der wissenschaftliche Ertrag maximiert.
• Zukunftssicherheit: Sollte eines der cLFV-Experimente ein Signal finden, ist ein vergleichbares $\mu^+ \to e^+ \gamma$-Signal notwendig, um das zugrundeliegende Modell zu identifizieren. Dieses Projekt stellt sicher, dass PSI auch in diesem kritischen Kanal bereit ist.

Zusammenfassend schlägt das Konsortium einen realistischen, gestuften Weg vor, um die Sensitivität für $\mu^+ \to e^+ \gamma$ um mehr als eine Größenordnung zu verbessern und damit die Grenzen des Standardmodells weiter zu testen.