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

Este documento expresa el interés en desarrollar un programa experimental en el PSI para buscar la desintegración $\mu^+ \to e^+ \gamma$ con el objetivo de mejorar la sensibilidad actual en más de un orden de magnitud gracias al nuevo haz de muones de alta intensidad (HIMB), asegurando así el liderazgo de la institución en la búsqueda de física más allá del Modelo Estándar.

Lo esencial

¡Claro que sí! Imagina que este documento es un plan de construcción para una "cámara de alta velocidad" cósmica, diseñada para capturar un evento que, según las reglas actuales del universo, no debería ocurrir nunca.

Aquí tienes la explicación de este "Plan de Intención" (Letter of Intent) para el experimento futuro $\mu^+ \to e^+ \gamma$, traducida a un lenguaje sencillo y con analogías creativas:

---

🌌 La Misión: Buscar la "Imposibilidad"

En el mundo de la física de partículas, hay una regla muy estricta: un muón (una partícula pesada e inestable, como un "primo" del electrón) no debería poder transformarse directamente en un electrón y un rayo de luz (fotón) al mismo tiempo. Es como si intentaras convertir una manzana en una naranja y un destello de luz instantáneamente; la física actual dice que eso es imposible.

Sin embargo, los físicos sospechan que si hay "nueva física" (partículas o fuerzas que aún no conocemos), podría permitir que esto suceda, aunque sea una vez cada billón de años.

El objetivo del documento: Construir un experimento en el laboratorio PSI (en Suiza) para buscar esta transformación imposible. Si la encuentran, será una prueba definitiva de que hay algo más allá de lo que sabemos.

🏎️ El Problema: Necesitamos más "Tráfico"

El experimento anterior, llamado MEG II, ya es muy bueno. Pero para encontrar algo tan raro, necesitas disparar muones como si fueran balas de una ametralladora.

• La situación actual: Tenemos una "carretera" de muones, pero el tráfico es lento.
• La solución propuesta: El documento pide usar una nueva instalación llamada HIMB (Haz de Muones de Alta Intensidad). Imagina que cambiamos una carretera de dos carriles por una autopista de 100 carriles. ¡El tráfico de muones será 100 veces más intenso!

🛠️ El Diseño: Dejar de usar "Lentes" y empezar a usar "Espejos"

Aquí está la parte más ingeniosa del documento. El experimento anterior usaba un gran tanque de Xenón líquido (como una cámara gigante llena de gas noble) para detectar el fotón (la luz). Funcionaba bien, pero tiene un límite: no se puede mejorar mucho más su precisión.

La nueva idea (El "Cambio de Chip"):
En lugar de dejar que la luz golpee un tanque, proponen hacer que la luz chocue contra una lámina fina para transformarse en un par de partículas (un electrón y un positrón).

• La analogía: Imagina que quieres medir la velocidad de una bala de luz.
  • Método viejo: La bala entra en una piscina de gelatina y mide cuánto se hunde (el tanque de Xenón).
  • Método nuevo: La bala golpea un espejo delgado, rebota y se divide en dos proyectiles más pequeños. Luego, usamos imanes gigantes para ver cómo giran esos dos proyectiles. Al medir su giro, podemos calcular la velocidad de la bala original con muchísima más precisión.

Esto se llama un espectrómetro de conversión. Es como pasar de usar un termómetro de mercurio a usar un láser de precisión.

🗺️ El Plan de Ruta: Tres Fases (Como subir una montaña)

No van a construir todo de golpe. Es un proyecto de 10 años dividido en pasos lógicos:

1. Fase 0 (La Prueba de Fuego): Antes de gastar millones, harán experimentos pequeños en el laboratorio para probar si su nueva idea de "lámina convertidora" funciona realmente. Es como probar un motor nuevo en una pista de pruebas antes de ponerlo en un coche de carreras.
2. Fase I (El Entrenamiento): Construirán una versión del experimento usando la tecnología actual pero con un haz de muones un poco más fuerte. Esto les servirá para refinar sus herramientas y mejorar la sensibilidad un poco más que el experimento anterior.
3. Fase II (La Gran Carrera): Aquí es donde entran en acción los nuevos imanes gigantes y la autopista de muones (HIMB). Usarán detectores de silicio ultra-delgados (como chips de computadora, pero para partículas) que pueden soportar el tráfico masivo sin romperse.

🎯 ¿Por qué es importante?

Imagina que tienes tres detectives buscando un criminal:

• El Detective A busca huellas dactilares.
• El Detective B busca ADN.
• El Detective C (nuestro experimento) busca una cicatriz específica.

Si el criminal aparece, los tres lo atraparán. Pero si solo el Detective A lo ve, no sabremos qué tipo de criminal es. Necesitamos que los tres tengan la misma capacidad de detección para poder distinguir entre diferentes teorías de "nueva física".

Este documento asegura que el laboratorio PSI no se quede atrás. Si logran mejorar la sensibilidad en una década, podrán decir: "¡Lo encontramos!" o "¡Definitivamente no existe!", y eso cambiaría nuestra comprensión del universo.

📝 En Resumen

Este documento es una solicitud de presupuesto y aprobación para construir la máquina más sensible del mundo para buscar una transformación prohibida de partículas.

• El reto: Detectar algo que ocurre una vez cada billón de veces.
• La herramienta: Una nueva tecnología que convierte la luz en partículas para medirla con imanes, en lugar de usar tanques de gas.
• El lugar: Una nueva autopista de partículas en Suiza (PSI).
• El sueño: Descubrir las leyes ocultas que gobiernan el universo.

¡Es como intentar escuchar el susurro de una mosca en medio de un concierto de rock, pero construyendo un micrófono lo suficientemente bueno para lograrlo! 🎧🔬

Resumen técnico

1. El Problema y el Contexto Científico

Violación del Sabor Leptónico (cLFV):
En el Modelo Estándar (ME) de la física de partículas, los procesos que violan el sabor leptónico cargado (como la desintegración de un muón en un positrón y un fotón, $\mu^+ \to e^+ \gamma$) están prácticamente prohibidos, con tasas de ramificación extremadamente bajas ($\sim 10^{-54}$). Sin embargo, muchas extensiones de la Nueva Física (NP) predicen que estos procesos ocurren a tasas medibles. La detección de tal desintegración sería una prueba inequívoca de física más allá del Modelo Estándar.

Estado Actual y Limitaciones:
El experimento MEG II en el Instituto Paul Scherrer (PSI) ha establecido el límite más estricto hasta la fecha ($B < 1.5 \times 10^{-13}$) y espera alcanzar una sensibilidad de $6 \times 10^{-14}$. Otros experimentos como Mu3e ($\mu^+ \to e^+ e^+ e^-$) y Mu2e/COMET (conversión $\mu^- N \to e^- N$) están construyendo detectores con sensibilidades comparables o superiores.

La Necesidad de un Nuevo Enfoque:
Para discriminar entre diferentes modelos de Nueva Física (especialmente entre interacciones tipo dipolo y contacto de cuatro fermiones), es crucial que el canal $\mu^+ \to e^+ \gamma$ mantenga una sensibilidad competitiva. El documento argumenta que para competir con los futuros límites de la conversión nuclear, la sensibilidad de $\mu^+ \to e^+ \gamma$ debe mejorar a niveles de $10^{-15}$. Esto requiere un aumento masivo en la intensidad del haz de muones, algo que solo el nuevo HIMB (High Intensity Muon Beam) del PSI podrá proporcionar (hasta $10^{10}$ muones/s).

2. Metodología y Concepto Experimental

El grupo propone un experimento escalonado (MEG3) que aprovecha la nueva infraestructura HIMB. La metodología se basa en reconstruir el fotón y el positrón de muones que se detienen en un blanco fino.

Requisitos del Haz:

• Fase I: Tasa de muones hasta $2 \times 10^8$ $\mu^+$/s (utilizando instalaciones actuales HIPA).
• Fase II: Tasa de muones hasta $10^{10}$ $\mu^+$/s (utilizando el nuevo HIMB).

Concepto del Detector (Innovación Clave):
A diferencia de MEG II, que utiliza un calorímetro de Xenón Líquido (LXe) para detectar fotones, este proyecto propone un espectrómetro de pares de conversión como opción base para el fotón.

• Reconstrucción de Fotones: El fotón se convierte en un par $e^+e^-$ en una capa delgada de material denso (convertidor activo).
  • Material: Cristales de LYSO (Ortosilicato de Lutecio e Itrio dopado con Cerio) actuando como convertidores activos y detectores de tiempo.
  • Seguimiento: Los pares $e^+e^-$ se rastrean en un espectrómetro magnético (posiblemente TPCs de gas o detectores de silicio).
  • Ventaja: Permite una resolución de energía y ángulo superior a la de los calorímetros, crucial para suprimir el fondo accidental a altas tasas.
• Reconstrucción de Positrones:
  • Fase I: Uso de detectores de gas (cámaras de deriva) similares a MEG II, pero optimizados.
  • Fase II: Uso de sensores de píxeles de silicio (HVMAPS) ultra-delgados (como en Mu3e) para soportar tasas de conteo extremadamente altas y minimizar la dispersión múltiple.
• Configuración Magnética: Se estudian dos opciones:
  1. Un solo solenoide que aloja tanto el espectrómetro de positrones como el de fotones.
  2. Una estructura combinada solenoide-toroide, donde el detector de fotones está fuera del solenoide principal en un campo toroidal.

Estrategia de Supresión de Fondo:
El fondo principal a altas tasas proviene de eventos accidentales (un positrón de un muón y un fotón de otro). La estrategia se basa en:

1. Mejorar drásticamente la resolución temporal (objetivo < 30 ps para fotones y positrones).
2. Mejorar la resolución de energía y ángulo.
3. Utilizar la cinemática de dos cuerpos y la compatibilidad del vértice para rechazar eventos de fondo.

3. Hoja de Ruta Experimental (Roadmap)

El proyecto se divide en tres fases para mitigar riesgos tecnológicos y financieros:

• Fase-0 (Prueba de Concepto):

  • Validación experimental de la técnica de conversión de fotones.
  • Pruebas de haz con electrones y fotones en cristales LYSO y TPCs en campos magnéticos (posiblemente usando el imán COBRA de MEG II).
  • Definición de parámetros de diseño y lectura de datos.

• Fase-I (Inicio de la década de 2030):

  • Operación en una línea de haz convencional (hasta $2 \times 10^8$ $\mu^+$/s).
  • Uso de un espectrómetro de pares con un número reducido de capas de conversión.
  • Objetivo: Mejorar la sensibilidad de MEG II significativamente (alcanzar $\sim 10^{-14}$) y validar las tecnologías de imanes, convertidores y disparo (trigger) a alta tasa.
  • Uso de detectores de gas para positrones (evitando conflictos con Mu3e).

• Fase-II (Segunda mitad de la década de 2030):

  • Operación en el haz HIMB ($10^{10}$ $\mu^+$/s).
  • Implementación completa con múltiples capas de convertidores (hasta 10 capas) y rastreadores de silicio de alta granularidad.
  • Objetivo final: Sensibilidad de $\sim 2-3 \times 10^{-15}$.

4. Resultados y Estimaciones de Sensibilidad

Basado en simulaciones y extrapolaciones de rendimiento de detectores:

• Resoluciones Objetivo:
  • Energía del fotón: 200 keV.
  • Tiempo del fotón: 30 ps (mejora respecto a los 65 ps de MEG II).
  • Ángulo del fotón: 150 mrad (gracias a la reconstrucción de pares).
  • Eficiencia de detección de fotones: ~10% (con 4 capas).
• Proyección de Sensibilidad:
  • Fase-I: Con una tasa de $2 \times 10^8$ $\mu^+$/s y 1 capa de conversión, se espera alcanzar una sensibilidad de $1.5 \times 10^{-14}$.
  • Fase-II: Con una tasa de $> 10^9$ $\mu^+$/s y 4 capas de conversión, la sensibilidad proyectada es de $(2-3) \times 10^{-15}$.
• Comparación con otros canales: En la Fase-II, la sensibilidad en términos de escala de masa de Nueva Física superaría a los resultados finales esperados de Mu3e y sería comparable o superior a Mu2e/COMET en la mayoría de los escenarios de modelos de dipolo.

5. Significado e Impacto

• Liderazgo Científico: Este proyecto asegura que el PSI mantenga su liderazgo global en la búsqueda de violación del sabor leptónico, complementando y superando a otros experimentos internacionales.
• Discriminación de Modelos: Al alcanzar una sensibilidad de $10^{-15}$ en el canal $\mu^+ \to e^+ \gamma$, el experimento será capaz de distinguir entre diferentes mecanismos de Nueva Física (dipolo vs. contacto), algo imposible si solo se observan límites en otros canales.
• Desarrollo Tecnológico: Impulsa avances en detectores de radiación de alta tasa, cristales centelleadores rápidos (LYSO), TPCs de gas de bajo material y electrónica de lectura de alta velocidad.
• Viabilidad: La estrategia escalonada (Fase 0 -> I -> II) permite validar tecnologías críticas antes de comprometerse con la construcción completa, minimizando el riesgo de fracaso en la fase de alta intensidad.

En resumen, la carta de intención presenta un plan robusto y técnicamente fundamentado para realizar la búsqueda más sensible jamás realizada de la desintegración $\mu^+ \to e^+ \gamma$, utilizando la infraestructura única del PSI para explorar la frontera de la física más allá del Modelo Estándar.