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

この文書は、PSI の高強度ミュオンビーム（HIMB）施設を利用し、現在のリーディング実験である MEG II の最終結果を 10 年以内に 1 桁以上上回る感度でμ⁺→e⁺γ崩壊を検出する実験計画への意欲表明であり、これにより同分野における PSI のリーダーシップ維持と新物理シナリオの区別が可能になると述べています。

要約

🌌 物語の舞台：「消えた光」を探す探偵たち

私たちが普段知っている物質の法則（標準模型）では、ある粒子が別の粒子に勝手に姿を変えて消えることは「ありえない」ことになっています。
しかし、もしそれが**「ありえないこと」が実際に起きたら？** それは、私たちの知らない「新しい物理法則（ニュートン物理学の先にある何か）」が発見されたことを意味します。

この探検隊が狙っているのは、「ミューオン（μ）」という粒子が、突然「陽電子（e）」と「光（γ）」に分裂してしまう現象です。
今のところ、この現象は一度も観測されたことがありません。でも、もし見つかったら、それは物理学の歴史に残る大発見です。

🔍 現在の状況：「MEG II」という高性能カメラ

現在、世界で最も感度の高いカメラ「MEG II」が PSI で稼働しています。

• 性能： 100 兆回（$10^{13}$）のミューオンを撮っても、1 回も「変な分裂」は見つかりませんでした。
• 限界： このカメラは非常に優秀ですが、もっと感度を上げたいのです。なぜなら、もし「新しい物理」がもっと微妙なレベルで隠れているとしたら、今のカメラでは見逃してしまうかもしれないからです。

🚀 新しい計画：「MEG3」という超巨大望遠鏡

この論文は、**「MEG II を超える、さらに強力な探検計画」を提案しています。
彼らは、PSI に建設予定の「HIMB（高強度ミューオンビーム）」**という、現在の 100 倍もの粒子を流せる「超高速道路」を利用しようとしています。

🏗️ 2 段階での建設計画

いきなり巨大な望遠鏡を作るのはリスクが高いので、2 つの段階に分けて進めます。

1. 第 0 段階（実験室での試作）：

   • まず、新しいカメラの「レンズ」が本当に機能するか、小さな実験で確認します。
   • ここでは、光（ガンマ線）を直接見るのではなく、**「光を物質にぶつけて、電子と陽電子のペアに変換してから追跡する」**という新しいテクニックを使います。
   • アナロジー： 暗闇で光る玉（光）を直接見るのではなく、玉を壁に当てて跳ね返ってきた影（電子のペア）の形から、元の玉の位置や動きを推測するイメージです。

2. 第 1 段階（2030 年代初頭・中規模実験）：

   • 現在の施設を使って、感度を MEG II よりもっと上げます。
   • ここでは、まだ「電子のペアを追跡する新しいカメラ」の原型を使います。
   • 目的は、新しい技術が本当に動くか確認しつつ、すでに MEG II の記録を塗り替えることです。

3. 第 2 段階（2030 年代後半・超巨大実験）：

   • いよいよ「HIMB」という超高速道路を使って、100 倍の感度を目指します。
   • ここでは、シリコンの微細なセンサー（ピクセル）を何層も重ねた、**「世界最高峰の電子の追跡カメラ」**を完成させます。
   • 目標： 100 兆回（$10^{13}$）の試行ではなく、**1000 兆回（$10^{15}$）**の試行で、1 回でも「変な分裂」を見つけ出すこと。

🛠️ 使われる「魔法の道具」たち

この計画を成功させるために、いくつかの新しい技術が使われます。

• 光の「変身」させる板（コンバーター）：
  • 光（ガンマ線）はそのままでは追跡が難しいので、薄い板にぶつけて「電子と陽電子の双子」に変身させます。
  • アナロジー： 透明な風船（光）を、中身が見えるように色付きのゼリー（電子ペア）に変えて、その動きを追うようなものです。
• 超高速のタイムスタンプ：
  • 電子と光が「ほぼ同時に」発生したかどうかを、**1 秒の 1000 億分の 1（ピコ秒）**単位で測ります。
  • アナロジー： 2 人のランナーがスタートラインを同時に通過したか、1 秒の 1000 億分の 1 のズレでも見抜けるような、超精密なストップウォッチです。
• 磁気のトンネル：
  • 電子の動きを曲げて、その軌道からエネルギーや方向を正確に計算します。

🎯 なぜこれが重要なのか？

もしこの実験で「ミューオンの分裂」が見つかったら、それは**「新しい物理の扉が開いた」ことを意味します。
今のところ、ミューオンの分裂（$\mu \to e \gamma$）だけでなく、他の分裂（$\mu \to 3e$ や原子核内の変換）も探されていますが、「どの新しい物理理論が正しいか」を見分けるには、この「光と電子の分裂」の感度が他の実験と同等かそれ以上である必要があります。**

もし感度が低すぎると、「見つかった！」と言った瞬間に、「いや、それは他の理論のせいかもしれない」と議論が尽きません。しかし、この計画で感度を劇的に上げれば、「これが正解だ！」と断言できる証拠を手に入れることができます。

📝 まとめ

この論文は、**「現在の最高のカメラ（MEG II）を、100 倍の光を浴びせる超高速道路と、新しいレンズ技術を使って、さらに 100 倍高性能なカメラ（MEG3）に進化させる」**という壮大なプロジェクトの提案です。

2030 年代にかけて、スイスでこの「宇宙の謎を解くための超精密カメラ」が完成し、もし「ありえない現象」が見つかったら、それは人類が宇宙の仕組みをさらに深く理解する大きな一歩となるでしょう。

技術概要

将来の $\mu^+ \to e^+ \gamma$ 実験に関する意向書：PSI 高強度ミュオンビーム（HIMB）施設における研究計画

この文書は、スイスのポール・シェラー研究所（PSI）の高強度ミュオンビーム（HIMB）施設において、$\mu^+ \to e^+ \gamma$ 崩壊を検出するための将来の実験計画に関する意向書（Letter of Intent）です。以下の通り、問題定義、手法、主要な貢献、結果、および意義について詳細にまとめます。

1. 問題定義（背景と課題）

• 物理的動機: 標準模型（SM）では、荷電レプトンフレーバー対称性の破れ（cLFV）は極めて抑制されており、$\mu^+ \to e^+ \gamma$ の分岐率は $10^{-54}$ 程度と予測されています。しかし、多くの標準模型を超える新物理（NP）モデルでは、測定可能なレベルでこの崩壊が予言されています。したがって、この過程の探索は新物理の決定的な証拠となり得ます。
• 現状の限界: 現在、PSI で進行中の MEG II 実験が世界最高感度（分岐率上限 $< 1.5 \times 10^{-13}$）を維持していますが、2026 年までに $6 \times 10^{-14}$ への感度向上が見込まれるに過ぎません。
• 競合実験との比較: 一方、$\mu^+ \to e^+ e^+ e^-$（Mu3e）や原子核場での $\mu^- \to e^-$ 転換（Mu2e, COMET）は、同等かそれ以上の感度を目指して建設中です。
• 課題: 新物理のモデル（双極子相互作用型か、4 フェルミ接触相互作用型か）を区別するためには、これらの異なるチャネルの感度を同等レベルまで引き上げる必要があります。特に、双極子相互作用が支配的な領域では、$\mu^+ \to e^+ \gamma$ の感度を $10^{-14}$ 乃至 $10^{-15}$ レベルまで向上させることが不可欠です。
• ビーム強度の壁: 背景事象（偶然の一致）はビーム強度の 2 乗に比例して増加するため、単純なビーム強度の増加だけでは感度向上が頭打ちになります。これを打破するには、検出器の分解能（エネルギー、角度、時間）を劇的に改善する必要があります。

2. 手法と実験概念

本研究は、PSI の既存施設（HIPA）と将来の HIMB 施設を利用した、段階的なアプローチ（Phase-0, I, II）を提案しています。

2.1 実験コンセプトの革新

従来の MEG II が液体キセノン（LXe）カロリメータを用いていたのに対し、本計画では**「光子変換スペクトロメータ」**を基盤技術として採用します。

• 光子検出: 光子を薄い変換層（アクティブコンバータ）で $e^+e^-$ 対に変換し、磁気スペクトロメータでその軌跡を追跡します。
  • アクティブコンバータ: LYSO 結晶などの高密度シンチレータを使用し、SiPM で読み出します。これにより、変換層でのエネルギー損失を測定・補正でき、かつ光子の到達時間を高精度で測定できます。
  • 追跡: 変換された $e^+e^-$ 対を、ヘリウムガス混合気体を用いた円筒形 TPC（時間投影室）や、高電圧モノリシックアクティブピクセルセンサー（HVMAPS）などの軽量追跡器で追跡します。
• 陽電子検出:
  • Phase-I: 既存のドリフトチャンバ（MEG II 流用または改良版）を使用。
  • Phase-II: 高ビーム強度に対応するため、Mu3e で開発中の HVMAPS ベースのピクセル追跡器を採用し、多重コロンブ散乱を最小化します。
• 磁場構成:
  • 単一ソレノイド: 陽電子と光子の両方を同一ソレノイド内で追跡（Mu3e 型）。
  • ソレノイド - トロイダル: 陽電子を中央ソレノイド、光子変換器を外部トロイダル磁場内に配置する代替案。

2.2 段階的ロードマップ

• Phase-0（概念実証）: 変換技術の効率と分解能を実証。 tagged photon ビームを用いたテストビーム実験を行い、LYSO 変換層と TPC の性能を検証。
• Phase-I（2030 年代初頭）: 既存の HIPA 施設で $R_\mu \approx 2 \times 10^8 \, \mu^+/\text{s}$ のビーム強度で運転。
  • 目標：MEG II に対する感度の大幅な向上（$10^{-14}$ レベル）。
  • 構成：変換層数を減らした簡易版、または既存の磁石（COBRA）を流用。
• Phase-II（2030 年代後半）: HIMB 施設で $R_\mu \approx 10^{10} \, \mu^+/\text{s}$ の超高強度ビームで運転。
  • 目標：最終感度 $10^{-15}$ レベルへの到達。
  • 構成：専用磁石、多層変換器、HVMAPS 陽電子追跡器、高度なトリガー/DAQ システム。

3. 主要な貢献と技術的革新

• 光子検出方式の転換: 従来のカロリメータから、変換スペクトロメータへの移行を提案。これにより、光子エネルギー分解能のさらなる向上と、光子入射角の直接測定による背景事象の強力な抑制が可能になります。
• アクティブコンバータの導入: 変換層自体をエネルギー損失測定器として機能させ、変換対のエネルギー再構成精度を高める技術。
• 高強度ビーム対応技術: 1 秒間に $10^{10}$ 個のミュオンという前例のないビーム強度に対応するため、HVMAPS や放射線耐性のある TPC などの最先端検出器技術の適用を計画。
• 段階的アプローチの確立: 一度に巨大な実験を行うのではなく、Phase-I で技術的リスクを低減し、Phase-II へ移行する現実的なロードマップを提示。

4. 期待される結果と性能

シミュレーションに基づく感度見積もりは以下の通りです（Table 1, Fig. 12 参照）。

• 検出器性能目標:
  • 光子エネルギー分解能: 200 keV
  • 陽電子エネルギー分解能: 100 keV
  • 時間分解能（光子・陽電子）: 30 ps 以下（目標 20 ps）
  • 角度分解能: 光子 150 mrad, 陽電子 6 mrad
• 感度予測:
  • Phase-I: ビーム強度 $2 \times 10^8 \, \mu^+/\text{s}$、変換層 1 層で分岐率感度 $1.5 \times 10^{-14}$ を達成（MEG II 最終値より優位）。
  • Phase-II: ビーム強度 $10^9 \, \mu^+/\text{s}$ 以上、変換層 4 層で分岐率感度 $(2-3) \times 10^{-15}$ を達成。
• 新物理探索: Phase-II の感度は、将来の Mu2e や Mu3e の最終感度と同等かそれ以上となり、双極子相互作用が支配的な新物理モデルの探索において、他の実験と競合・補完できるレベルになります。

5. 意義

• PSI のリーダーシップ維持: PSI がミュオン物理の分野で世界をリードし続けるための不可欠なプロジェクトです。
• 新物理の解明: もし cLFV が観測された場合、$\mu^+ \to e^+ \gamma$、$\mu^+ \to e^+ e^+ e^-$、$\mu \to e$ 転換の 3 つのチャネルを比較することで、どの新物理モデル（双極子型か接触相互作用型か）が正しいかを決定づけることができます。本計画は、この比較を可能にする感度水準を確保します。
• 技術的波及効果: 高強度ビーム対応の検出器技術（HVMAPS、新型 TPC、アクティブコンバータ）の開発は、他の高エネルギー物理実験や医療応用などにも貢献します。

結論として、この意向書は、PSI の HIMB 施設を活用し、革新的な検出器技術を採用することで、$\mu^+ \to e^+ \gamma$ 探索の感度を 1 桁以上向上させ、標準模型を超える物理の発見に挑む具体的な道筋を示しています。