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

Ce document exprime l'intention de développer une nouvelle expérience de recherche de la violation de la saveur leptonique ($\mu^+ \to e^+ \gamma$) au futur faisceau de muons à haute intensité (HIMB) du PSI, visant à améliorer la sensibilité actuelle d'un ordre de grandeur pour maintenir le leadership de l'institution dans ce domaine.

L'essentiel

Imaginez que l'univers est régi par un ensemble de règles très strictes, un peu comme les lois de la circulation. Dans le monde des particules, il existe une règle fondamentale : un muon (une sorte de cousin lourd de l'électron) ne devrait jamais se transformer directement en un électron tout en émettant un rayon lumineux (un photon). C'est comme si une voiture rouge, en roulant, se transformait soudainement en un vélo bleu tout en laissant tomber une lampe torche. Selon la théorie actuelle (le Modèle Standard), c'est interdit.

Cependant, les physiciens soupçonnent qu'il existe des "règles cachées" ou de nouvelles forces dans l'univers qui permettraient cette transformation. Le document que vous avez soumis est une lettre d'intention (une proposition de projet) pour construire une machine capable de chasser cette transformation interdite : le processus $\mu^+ \to e^+ \gamma$.

Voici l'explication de ce projet, simplifiée et imagée :

1. Le But du Jeu : Chasser l'Impossible

L'objectif est de construire un détecteur ultra-sensible au PSI (un grand laboratoire de physique en Suisse) pour observer un muon qui se transforme en électron et en photon.

• Pourquoi ? Si nous voyons cela, c'est la preuve irréfutable qu'il existe une physique au-delà de ce que nous connaissons aujourd'hui. C'est comme trouver un animal préhistorique qui aurait dû s'éteindre il y a des millions d'années : cela change tout ce que nous savons de l'histoire de la vie.
• Le défi actuel : L'expérience précédente (MEG II) a été très bonne, mais elle n'a pas encore vu ce phénomène. Il faut être encore plus précis, comme passer d'une loupe à un microscope électronique.

2. Le Moteur : Un Flux de Particules Géant

Pour trouver cette aiguille dans une botte de foin, il faut beaucoup de foin.

• La source : Le laboratoire PSI va construire un nouveau système appelé HIMB (High Intensity Muon Beam).
• L'analogie : Imaginez que MEG II utilisait un tuyau d'arrosage pour envoyer des gouttes d'eau (des muons). Le nouveau projet HIMB utilisera un canon à eau industriel qui envoie 100 fois plus de gouttes par seconde. Plus il y a de muons, plus on a de chances de voir l'un d'eux faire la transformation interdite.

3. La Machine : Comment on "voit" l'invisible ?

Le problème, c'est que quand on envoie autant de muons, il y a beaucoup de "bruit" (d'autres particules qui se mélangent). Pour isoler le signal, il faut une machine très intelligente. Le projet propose deux approches principales pour détecter le photon (la lumière) :

• L'ancienne méthode (Calorimètre) : C'est comme un seau qui attrape la lumière et mesure son énergie. C'est bien, mais on ne peut pas faire beaucoup mieux avec cette technologie.
• La nouvelle méthode (Le "Convertisseur Actif") : C'est l'idée géniale du projet. Au lieu d'attraper le photon directement, on le force à se transformer en une paire d'électrons (un peu comme un photon qui se scinde en deux jumeaux).
  • L'analogie : Imaginez que vous essayez de voir un fantôme (le photon). C'est dur. Mais si vous le forcez à marcher sur un sol mouillé (le convertisseur), il laisse des empreintes de pas (la paire d'électrons). En suivant ces empreintes avec une précision extrême, vous pouvez reconstituer exactement où le fantôme était et comment il se déplaçait.
  • Cette méthode permet de mesurer l'énergie et la direction avec une précision bien supérieure, ce qui est crucial pour distinguer le signal du bruit de fond.

4. La Stratégie : Une Marche en Deux Étapes

On ne construit pas une fusée en un jour. Le projet est divisé en phases, comme un entraînement progressif :

• Phase 0 (La Preuve de Concept) : Avant de construire la grande machine, on va faire de petits tests. On va vérifier si notre idée de "convertisseur actif" fonctionne vraiment en laboratoire. C'est comme tester un nouveau moteur de voiture sur une piste d'essai avant de construire la voiture complète.
• Phase I (L'Entraînement) : Vers le début des années 2030, on construit une première version de la machine. Elle utilisera un flux de muons important, mais pas le maximum. Elle servira à peaufiner la technologie et à améliorer la sensibilité par rapport à l'expérience actuelle.
• Phase II (Le Grand Final) : Vers la fin des années 2030, on lance la machine complète avec le flux de muons maximal (le "canon à eau" HIMB). C'est là qu'on espère atteindre la sensibilité ultime, capable de voir des phénomènes qui étaient invisibles jusqu'ici.

5. Pourquoi c'est important ?

Aujourd'hui, d'autres expériences cherchent d'autres types de transformations (comme un muon qui se transforme en trois électrons). Si l'une d'elles trouve quelque chose, nous aurons besoin de savoir quel type de nouvelle physique est en jeu.

• L'analogie : Si vous entendez un bruit dans la maison, vous ne savez pas si c'est un chat, un rat ou un fantôme. Si vous avez plusieurs détecteurs (un pour les chats, un pour les rats), vous pouvez identifier la source.
• Ce projet $\mu \to e \gamma$ est essentiel pour compléter les autres expériences. Ensemble, ils permettront de cartographier la "nouvelle physique" avec une précision incroyable.

En Résumé

Ce document est un plan ambitieux pour construire la chasseuse de fantômes la plus précise au monde. En utilisant un flux de particules massif et une technologie de détection innovante (transformer la lumière en traces visibles), les physiciens espèrent, d'ici 10 à 15 ans, découvrir une faille dans les lois de l'univers qui nous régit, ouvrant ainsi une nouvelle ère pour la physique.

Résumé technique

1. Problème et Contexte Physique

La conservation de la saveur des leptons chargés est une symétrie accidentelle du Modèle Standard (MS). Dans le MS, le processus $\mu^+ \to e^+ \gamma$ est strictement interdit (ou extrêmement supprimé, $\mathcal{B} \sim 10^{-54}$). Sa détection constituerait une preuve irréfutable de physique au-delà du Modèle Standard (BSM).

• État de l'art : L'expérience actuelle MEG II au PSI détient la limite la plus stricte ($\mathcal{B} < 1,5 \times 10^{-13}$) et vise une sensibilité de $6 \times 10^{-14}$.
• Concurrence : D'autres expériences (Mu3e, Mu2e, COMET) recherchent des processus complémentaires ($\mu^+ \to e^+e^+e^-$ et $\mu^- N \to e^- N$) avec des sensibilités comparables.
• Enjeu : Pour discriminer entre les différents modèles de nouvelle physique (interactions dipolaires vs interactions à quatre fermions), il est crucial que la sensibilité du canal $\mu^+ \to e^+ \gamma$ reste compétitive avec les autres canaux. Une simple amélioration de MEG II ne suffira pas face aux projets futurs ; une amélioration d'un ordre de grandeur supplémentaire est nécessaire pour atteindre le niveau de $10^{-15}$.

2. Méthodologie et Concept Expérimental

Le groupe propose une approche par étapes pour exploiter le futur Faisceau de Muons à Haute Intensité (HIMB) du PSI, capable de fournir des taux de muons jusqu'à $10^{10} \, \mu^+/\text{s}$ (soit deux ordres de grandeur de plus que les lignes actuelles).

A. Stratégie de Détection

Le défi principal est de réduire le bruit de fond accidentel (coïncidences fortuites entre un positron et un photon provenant de muons différents), qui augmente avec le carré du taux de muons ($R_\mu^2$). Pour maintenir une sensibilité élevée à haut taux, il faut améliorer drastiquement les résolutions temporelles, énergétiques et angulaires.

• Positrons ($e^+$) :
  • Phase I (Taux modéré $\sim 2 \times 10^8 \, \mu^+/\text{s}$) : Utilisation d'une chambre à dérive gazeuse (similaire à MEG II) ou d'un spectromètre magnétique conventionnel.
  • Phase II (Haut taux $\ge 10^9 \, \mu^+/\text{s}$) : Transition vers des capteurs pixels silicium ultra-minces (HVMAPS), similaires à ceux développés pour Mu3e, pour gérer l'occupation élevée et minimiser la diffusion multiple de Coulomb. Un cible active (mesurant directement le point de désintégration) est envisagée pour améliorer la vertexing.
• Photons ($\gamma$) :
  • Innovation majeure : Abandon de la calorimétrie au Xénon liquide (LXe) utilisée par MEG II, car sa résolution énergétique ne peut être améliorée significativement.
  • Nouveau concept : Utilisation d'un spectromètre de conversion. Le photon est converti en une paire $e^+e^-$ dans une couche mince de matériau dense, puis les trajectoires sont reconstruites dans un spectromètre magnétique.
  • Convertisseur Actif : Pour corriger les pertes d'énergie dans le convertisseur, des cristaux scintillateurs denses (LYSO) instrumentés avec des SiPM sont utilisés comme convertisseurs actifs. Ils mesurent l'énergie déposée par ionisation et le temps d'arrivée, permettant une correction de l'énergie reconstruite par le spectromètre gazeux.

B. Configuration Magnétique

Deux configurations sont étudiées :

1. Solenode unique : Un seul aimant héberge à la fois le spectromètre de positrons et le détecteur de photons (conversion). Cela minimise la matière devant le détecteur de photons.
2. Solenode-Toroïde : Le détecteur de photons est placé à l'extérieur du solénoïde principal, dans un champ toroïdal généré par des bobines séparées. Cela permet d'optimiser indépendamment les champs pour chaque détecteur, mais introduit plus de matière devant les photons.

3. Contributions Clés et Feuille de Route

Le projet propose une feuille de route en trois phases pour gérer les risques technologiques et financiers :

• Phase 0 (Preuve de concept) : Validation expérimentale de la technique de conversion (LYSO + TPC) et des résolutions attendues. Tests de faisceau avec des électrons et des photons (réaction d'échange de charge $\pi^- p \to n \pi^0$).
• Phase I (Début des années 2030) :
  • Taux de muons : $\sim 2 \times 10^8 \, \mu^+/\text{s}$ (lignes existantes ou premières configurations HIMB).
  • Objectif : Améliorer la sensibilité par rapport à MEG II (visant $\sim 1,5 \times 10^{-14}$) et valider les sous-systèmes (aimants, convertisseurs, déclenchement).
  • Utilisation potentielle de l'aimant COBRA de MEG II avec une configuration toroïdale.
• Phase II (Seconde moitié des années 2030) :
  • Taux de muons : $\ge 10^9 \, \mu^+/\text{s}$ (HIMB complet).
  • Objectif : Sensibilité ultime de quelques $\times 10^{-15}$.
  • Déploiement du détecteur final avec traqueurs en silicium, convertisseurs multicouches et aimants dédiés.

4. Résultats Attendus et Estimations de Sensibilité

Les simulations basées sur les performances des détecteurs (Tableau 1 du document) indiquent :

• Résolutions visées :
  • Temps de photon : $30$ ps (contre $65$ ps pour MEG II).
  • Énergie de photon : $200$ keV.
  • Angle de photon : $150$ mrad (mesure indépendante via la conversion).
  • Efficacité de détection photon (4 couches) : $\sim 10\%$.
• Sensibilité projetée :
  • Phase I : Sensibilité de $\sim 1,5 \times 10^{-14}$ (déjà supérieure à la limite finale de MEG II).
  • Phase II : Sensibilité de $(2-3) \times 10^{-15}$ avec un taux de muons élevé et 4 couches de conversion.
• Impact sur la physique : À ce niveau de sensibilité, l'expérience $\mu^+ \to e^+ \gamma$ restera compétitive avec les expériences de conversion nucléaire et de désintégration en 3 leptons, permettant de distinguer les modèles de nouvelle physique (dipôle vs contact) même en cas de découverte dans un autre canal.

5. Signification

Ce document marque un tournant stratégique pour la physique des muons au PSI.

1. Leadership : Il vise à maintenir le PSI à la pointe mondiale de la recherche sur la violation de la saveur des leptons, en dépit de la concurrence internationale.
2. Innovation Technologique : Le passage d'une calorimétrie pure à un spectrométrie de conversion active (LYSO + TPC) représente une avancée technologique majeure pour surmonter les limites de résolution énergétique des calorimètres traditionnels à haut taux.
3. Synergie : Le projet s'appuie et complète les développements technologiques du projet Mu3e (traqueurs en silicium), créant un écosystème cohérent pour l'exploration de la nouvelle physique dans la décennie à venir.

En résumé, cette LOI propose un programme ambitieux mais réaliste, structuré par étapes, pour repousser les limites de la sensibilité du canal $\mu^+ \to e^+ \gamma$ d'un ordre de grandeur supplémentaire, garantissant ainsi la capacité de discriminer les théories au-delà du Modèle Standard.