A study to suppress a sneaking cosmic muon background in the COMET experiment

Resumen Técnico: Supresión del Fondo de Muones Cósmicos de Infiltración en el Experimento COMET

Planteamiento del Problema
El experimento COMET, ubicado en J-PARC, tiene como objetivo la búsqueda de la conversión neutrónica de muón a electrón sin neutrinos con una sensibilidad de evento único objetivo de $3 \times 10^{-15}$. Un desafío crítico en la Fase-I es el fondo proveniente de rayos cósmicos. Aunque el solitenoide del detector (DS) está rodeado por un sistema de Veto de Rayos Cósmicos (CRV), existen brechas prácticas debido a los conductos del haz y el cableado. Los muones cósmicos pueden entrar por estas brechas, dispersarse en las estructuras de soporte del detector (específicamente en los Hodoscopios de Disparo Cilíndricos, CTH), y atravesar la Cámara de Deriva Cilíndrica (CDC) para llegar al blanco de parada.

Los eventos de fondo más peligrosos involucran muones positivos ($\mu^+$) que entran desde el lado aguas abajo. Debido al campo magnético y a la geometría del detector, un $\mu^+$ "de infiltración" (sneaking) que viaja en la dirección inversa (desde el CTH hacia el blanco) puede imitar la trayectoria de un electrón de señal ($e^-$) proveniente de la conversión de muón a electrón, la cual viaja en la dirección "normal" (desde el blanco hacia el CTH). Ambas partículas tienen un momento de aproximadamente 105 MeV/c. Los sistemas CRV estándar no pueden vetar estos eventos si el muón no activa las capas de veto, y distinguir entre ellos basándose únicamente en la pérdida de energía es difícil porque la deposición de energía de los muones de 105 MeV/c y los electrones en el gas de helio de la CDC es casi idéntica.

Metodología
Para abordar esto, los autores proponen un método de discriminación basado en la calidad del ajuste de la trayectoria en lugar de la deposición de energía o el tiempo por sí solos. La hipótesis central se basa en el desajuste entre la dirección asumida de la partícula y el origen temporal real de la medición del tiempo de deriva.

1. Desajuste del Origen Temporal: La CDC reconstruye las trayectorias de las partículas utilizando el tiempo de deriva de los electrones ionizados. El origen temporal es proporcionado típicamente por el tiempo de impacto (hit) del CTH.
   • Señal ($e^-$): Generada en el blanco, pasa a través de la CDC y luego impacta en el CTH. El origen temporal (impacto en el CTH) es correcto para el cálculo del tiempo de deriva.
   • Fondo ($\mu^+$): Entra desde la brecha aguas abajo, impacta primero en el CTH y luego pasa a través de la CDC. Si se reconstruye asumiendo una dirección "normal" (blanco $\to$ CTH), el origen temporal está desalineado por el tiempo de vuelo entre el impacto en el CTH y los impactos en la CDC (hasta 10 ns).
2. Error de Distancia de Deriva: Un error de tiempo de 10 ns corresponde a un error de distancia de deriva de aproximadamente 250 $\mu$m (asumiendo una velocidad de deriva de 25 $\mu$m/ns). Este error es comparable a la resolución espacial esperada de la CDC de 150 $\mu$m.
3. Ajuste de Trayectoria: Los autores desarrollaron un programa de reconstrucción de trayectorias utilizando el marco de trabajo GENFIT2. Para cada evento, la trayectoria se ajusta dos veces:
   • Una vez asumiendo la dirección normal (hipótesis de señal).
   • Una vez asumiendo la dirección inversa (hipótesis de fondo).
   • La calidad del ajuste se evalúa mediante el $\chi^2$ reducido ($\chi^2/\text{ndf}$). La suposición de la dirección correcta produce un mejor ajuste, mientras que la suposición incorrecta introduce residuos significativos y empeora el $\chi^2$.
4. Variable de Discriminación: La diferencia en la calidad del ajuste se define como $\Delta(\chi^2/\text{ndf}) = (\chi^2/\text{ndf})_{\text{Normal}} - (\chi^2/\text{ndf})_{\text{Inversa}}$.

Contribuciones Clave y Resultados de Simulación
Los autores realizaron una simulación de Monte Carlo para validar este principio, generando electrones de señal y muones positivos invertidos (simulados mediante un método de Monte Carlo hacia atrás) con momentos de 100–110 MeV/c. Las posiciones de los impactos en la CDC fueron difuminadas con resoluciones espaciales de 100, 150 y 200 $\mu$m.

• Distribuciones de Residuos: Cuando se aplica la hipótesis de dirección incorrecta, la distribución de residuos (la diferencia entre la distancia de deriva y la distancia más cercana entre la trayectoria y el cable) se desplaza significativamente, y el $\chi^2/\text{ndf}$ aumenta.
• Poder de Discriminación: Utilizando un umbral de $\Delta(\chi^2/\text{ndf}) < 0$:
  • A la resolución espacial esperada de 150 $\mu$m, el método retiene el 87% de los electrones de señal mientras suprime el 89% del fondo de $\mu^+$ cósmicos de infiltración (reduciendo el fondo al 11%).
  • El rendimiento es sensible a la resolución espacial: a 100 $\mu$m, la supresión alcanza el 97% (3% de retención de fondo); a 200 $\mu$m, la supresión cae al 80% (20% de retención de fondo).
• Magnitud de la Supresión: El estudio demuestra que este método de discriminación de dirección de trayectoria puede reducir el fondo de muones positivos en aproximadamente un orden de magnitud.

Significancia y Reivindicaciones
El artículo afirma que esta metodología proporciona una solución viable, basada en el análisis de datos, para un problema de fondo severo en el experimento COMET Fase-I sin requerir modificaciones de hardware en el detector. Al aprovechar las diferencias cinemáticas y temporales específicas entre los electrones de señal y los muones cósmicos de infiltración, los autores demuestran que la calidad del ajuste de la trayectoria es un discriminador robusto.

Los autores señalan que, si bien el estudio actual se centra en trayectorias de una sola vuelta y en una comparación simple de $\chi^2$, las mejoras futuras podrían incluir:

• Utilizar las diferencias de deposición de energía en los centelladores plásticos del CTH (donde los muones pierden ligeramente más energía que los electrones).
• Aplicar técnicas de aprendizaje automático (machine learning) que traten la información de impactos individuales y su orden a lo largo de la trayectoria como entradas, en lugar de depender únicamente de la diferencia global de $\chi^2$.

El trabajo establece una prueba de concepto de que el fondo de "infiltración" puede mitigarse eficazmente, contribuyendo a los objetivos de sensibilidad general del experimento COMET.