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

Dit document is een intentieverklaring om binnen het komende decennium bij het PSI High-Intensity Muon Beam-faciliteit een nieuw experiment voor de zoektocht naar het verval $\mu^+ \to \mathrm{e}^+ \gamma$ te ontwikkelen, met als doel de gevoeligheid met meer dan een orde van grootte te verbeteren ten opzichte van de huidige MEG II-resultaten en zo de leiderschapspositie van PSI in dit onderzoeksveld te behouden.

De kern

De Jacht op de "Spook-Verdwijning": Een Plan voor de Toekomst

Stel je voor dat je een heel dure, perfecte horloge hebt. Je weet dat het uurwerk perfect werkt en dat de wijzers nooit van plek mogen komen. Maar op een dag zie je dat de secondewijzer plotseling verdwijnt en direct weer verschijnt op een andere plek, zonder dat je de mechanismen hebt zien bewegen. Dat is onmogelijk volgens de regels van de klokkenmaker (de natuurkunde). Als je dat toch ziet, betekent het dat er een geheime, nieuwe techniek is die de klokkenmaker niet kende.

Dit is precies wat natuurkundigen zoeken met dit nieuwe experiment. Ze willen kijken of een muon (een soort zwaar elektron) op een verboden manier verandert in een elektron en een foton (lichtdeeltje).

1. Het Probleem: De "Onmogelijke" Verdwijning

In de huidige regels van de natuurkunde (het Standaardmodel) mag een muon nooit zomaar veranderen in een elektron en een lichtflits. Het is alsof een appel zomaar in een sinaasappel en een vonk verandert. Als dit gebeurt, betekent het dat er nieuwe fysica is: deeltjes of krachten die we nog niet kennen.

Tot nu toe is het experiment MEG II de beste jager geweest. Ze hebben nog niets gevonden, maar ze hebben de "verboden zone" steeds kleiner gemaakt. Ze zeggen: "Als het gebeurt, is het extreem zeldzaam."

2. De Oplossing: Een Nieuwe Jachtlocatie (PSI & HIMB)

De onderzoekers willen nu een nog krachtigere jachtlocatie bouwen bij het PSI (een groot laboratorium in Zwitserland).

• De Huidige Locatie: Een gewone snelweg waar je af en toe een rare auto ziet.
• De Nieuwe Locatie (HIMB): Een supersnelweg waar 100 keer meer auto's per seconde rijden.

Door meer deeltjes te sturen, vergroot je de kans dat je die ene "spook-gebeurtenis" ziet. Maar er is een probleem: als je meer auto's stuurt, krijg je ook meer ruis (onhandige botsingen die lijken op de rare gebeurtenis). Je hebt dus een nog slimmere camera nodig om het echte signaal van de ruis te onderscheiden.

3. De Nieuwe Camera: Van "Vangnet" naar "Transformator"

De oude camera (MEG II) gebruikte een gigantische vloeibare xenon-tank (een soort super-zware mist) om het lichtdeeltje op te vangen. Dat werkt goed, maar het heeft een limiet.

De nieuwe aanpak in dit plan is als volgt:

• De Oude Manier: Je vangt het lichtdeeltje in een emmer en hoopt dat het niet uitloopt.
• De Nieuwe Manier (De "Converter"): Je gooit het lichtdeeltje tegen een heel dunne, speciale wand (gemaakt van kristallen). Hierdoor verandert het lichtdeeltje in een elektron-positron paar (twee deeltjes die als een dansend koppel rondspinnen).
• De Dans: Omdat je nu twee deeltjes hebt die je kunt volgen in een magnetisch veld, kun je hun beweging heel precies meten. Het is alsof je in plaats van naar een vage schaduw te kijken, nu twee dansers ziet die perfect synchroon bewegen. Je kunt hun snelheid en richting veel nauwkeuriger berekenen.

4. Het Plan: Stap voor Stap (De "Ladder")

Je bouwt geen supersnelweg in één dag. Dit plan heeft drie fasen:

• Fase 0 (De Test): Voordat ze de grote machine bouwen, willen ze eerst in het lab testen of die "dunne wand" (de converter) echt werkt. Ze schieten elektronen en lichtdeeltjes erop om te zien of de kristallen en de trackers goed samenwerken.
• Fase 1 (De Tussenstop): Rond 2030 bouwen ze een eerste versie. Ze gebruiken nog niet de allerhoogste snelheid, maar wel de nieuwe camera. Dit is een "proof of concept". Het doel is om alvast veel beter te zijn dan de huidige recordhouder (MEG II) en te bewijzen dat de techniek werkt.
• Fase 2 (De Grootse Finale): Halverwege de jaren '30, als de nieuwe "supersnelweg" (HIMB) klaar is, bouwen ze de definitieve machine. Dan gebruiken ze de allerbeste sensoren (siliconen chips, net als in de Mu3e-experimenten) om de snelheid van de deeltjes te volgen.

5. Waarom is dit belangrijk?

Als ze dit vinden, is het een revolutie.

• Het zou bewijzen dat er deeltjes of krachten zijn die we nog niet kennen.
• Het zou helpen verklaren waarom het heelal bestaat en waarom er meer materie is dan antimaterie.
• Het zou de "nieuwe fysica" op een schaal laten zien die vergelijkbaar is met wat andere grote experimenten (zoals Mu3e en Mu2e) doen, maar dan op een heel andere manier.

Kortom:
Dit document is een bouwplan voor een super-geavanceerde deeltjessensor. Ze willen van een "gewone camera" overschakelen op een "slimme transformator" om de snelste deeltjes ter wereld te vangen. Als ze slagen, kunnen we misschien eindelijk zien wat er gebeurt als de regels van de natuurkunde worden doorbroken. Het is een lange reis met veel testen, maar de beloning zou de grootste ontdekking in de deeltjesfysica van de komende decennia kunnen zijn.

Technische samenvatting

Titel: Brief van Intent voor een toekomstig $\mu^+ \to e^+ \gamma$ experiment bij de High Intensity Muon Beam (HIMB) faciliteit van PSI

1. Het Probleem en de Wetenschappelijke Context

In het Standaardmodel (SM) van de deeltjesfysica zijn processen die de ladingflavours van geladen leptonen schenden (cLFV), zoals het verval $\mu^+ \to e^+ \gamma$, fundamenteel verboden (met uitzondering van extreem kleine bijdragen door neutrino-menging). De observatie van zo'n verval zou daarom onomstotelijk bewijs zijn voor "New Physics" (NP) buiten het Standaardmodel.

Hoewel het huidige MEG II-experiment de beste limiet heeft gezet ($B < 1.5 \times 10^{-13}$), worden er binnenkort andere experimenten verwacht (Mu3e, Mu2e, COMET) die vergelijkbare of hogere gevoeligheid zullen bereiken voor andere kanalen ($\mu \to 3e$ en $\mu-e$ conversie). Om onderscheid te kunnen maken tussen verschillende theorieën voor nieuwe fysica (bijv. dipool-achtige interacties versus vier-fermion contactinteracties), is het cruciaal dat de gevoeligheid van het $\mu^+ \to e^+ \gamma$ kanaal op hetzelfde niveau blijft of dit overtreft. De huidige limiet moet met meer dan één orde van grootte worden verbeterd om concurrentieel te blijven met de uiteindelijke doelen van andere projecten.

2. Methodologie en Experimenteel Concept

Het voorstel omvat een gefaseerde aanpak om de gevoeligheid te verhogen tot in de orde van $10^{-15}$, gebruikmakend van de nieuwe High Intensity Muon Beam (HIMB) faciliteit bij het Paul Scherrer Instituut (PSI).

A. Straalvereisten:

• Fase I: Werken met een straalintensiteit tot $R_\mu = 2 \times 10^8 \, \mu^+/s$ op de bestaande HIPA-faciliteit.
• Fase II: Werken met de geüpgradede HIMB-stralen met intensiteiten tot $R_\mu = 10^{10} \, \mu^+/s$.

B. Detectieconcept (De Kerninnovatie):
In tegenstelling tot MEG II, dat een vloeibare xenon (LXe) calorimeter gebruikt voor fotonen, kiest dit voorstel voor een conversie-methode voor fotonreconstructie.

• Fotonen: In plaats van directe calorimetrie, worden fotonen geconverteerd in een $e^+e^-$-paar in een dunne, actieve conversielagen (waarschijnlijk LYSO-kristallen). Deze paren worden vervolgens nauwkeurig getrackt in een magnetisch spectrometer.
  • Voordeel: Potentieel veel betere energie- en hoekresolutie dan calorimeters.
  • Uitdaging: Lage conversie-efficiëntie, gecompenseerd door meerdere lagen en hogere straalintensiteit.
  • Actieve Converter: De conversielagen fungeren ook als timing-detectoren en meten energieverlies om de reconstructie te corrigeren.
• Positronen:
  • Voor Fase I: Gebruik van een conventioneel gasdetectiesysteem (soortelijk als MEG II's drift chamber), mogelijk geoptimaliseerd.
  • Voor Fase II: Overgang naar silicon pixel detectors (HVMAPS) om de extreme straalintensiteit en hoge graad van achtergrondruis te hanteren, vergelijkbaar met de Mu3e-opzet.
• Magnetische Configuratie: Twee opties worden overwogen:
  1. Enige Solenoïde: Zowel positron- als foton-spectrometer in één groot magnetisch veld.
  2. Solenoid-Toroid: Een solenoïde voor positronen en een toroidaal veld voor de fotonconversie-detectors buiten de solenoïde. Dit biedt meer flexibiliteit in het veldontwerp.

C. Achtergrondonderdrukking:
De belangrijkste achtergrond komt van "accidentele" achtergrond (een willekeurige positron en een willekeurige foton van verschillende muonvervallen die tegelijkertijd aankomen). De kans hierop schaalt kwadratisch met de straalintensiteit ($R_\mu^2$). Daarom is een extreme verbetering van de resolutie in tijd, energie en hoek essentieel om de gevoeligheid te verhogen bij hoge straalintensiteiten.

3. Belangrijkste Bijdragen en Ontwikkelingsroadmap

Het document schetst een realistische roadmap met drie fasen:

• Fase-0 (Proof-of-Concept): Experimentele validatie van de conversietechniek. Dit omvat tests van LYSO-kristallen en TPC's (Time Projection Chambers) in een magnetisch veld om de resoluties en efficiënties te bevestigen voordat het grote experiment wordt gebouwd.
• Fase-I (Begin jaren 2030): Een experiment op een conventionele straal (tot $2 \times 10^8 \, \mu^+/s$).
  • Doel: De gevoeligheid significant verbeteren ten opzichte van MEG II (richting $10^{-14}$) en de technologie voor Fase II testen.
  • Mogelijk gebruik van de bestaande COBRA-magneet van MEG II in combinatie met een toroidale opstelling.
• Fase-II (Tweede helft jaren 2030): Het definitieve experiment bij de HIMB-stralen ($>10^9 \, \mu^+/s$).
  • Doel: Een gevoeligheid bereiken van enkele $10^{-15}$.
  • Vereist: Volledig nieuwe detectoren (silicon pixel trackers, multi-layer actieve converters) en een dedicated magneet.

4. Verwachte Resultaten en Gevoeligheid

Op basis van simulaties en prestatie-schattingen (zie Tabel 1 en Figuur 12 in het paper):

• Fase-I: Met een straal van $2 \times 10^8 \, \mu^+/s$ en één conversielag wordt een gevoeligheid van ongeveer $1.5 \times 10^{-14}$ verwacht. Dit is al een factor 10 beter dan de verwachte eindresultaten van MEG II.
• Fase-II: Met een straal van $>10^9 \, \mu^+/s$ en vier conversielagen wordt een gevoeligheid van (2-3) $\times 10^{-15}$ voorspeld.
• Fysica Impact: Bij deze gevoeligheid kan het experiment concurreren met of zelfs de beste resultaten behalen van andere geplande experimenten (Mu3e, Mu2e) in termen van de schaal van nieuwe fysica die kan worden verkend, vooral in het domein van dipool-dominante interacties.

5. Significantie

Dit voorstel is van cruciaal belang voor deeltjesfysica om de volgende redenen:

1. Leiderschap behouden: Het zorgt ervoor dat PSI (en Europa) de wereldleider blijft in het onderzoek naar ladingflavour-schending, een gebied waar de concurrentie (o.a. uit de VS en Azië) toeneemt.
2. Complementariteit: Het biedt een noodzakelijke, onafhankelijke test van nieuwe fysica-modellen die niet door $\mu \to 3e$ of $\mu-e$ conversie kan worden onderscheiden. Als een signaal wordt gevonden in een ander kanaal, is het $\mu \to e \gamma$ kanaal essentieel om het onderliggende mechanisme te identificeren.
3. Technologische Vooruitgang: Het project drijft de ontwikkeling van ultra-snelle timing-detectoren, actieve conversiematerialen en high-rate silicon pixel trackers vooruit, met toepassingen die verder gaan dan alleen dit experiment.
4. Risicobeperking: Door de gefaseerde aanpak (Fase 0 en I) worden technologische risico's geminimaliseerd voordat de investering wordt gedaan in het kostbare en complexe Fase II-experiment.

Kortom, dit document is een strategisch plan om de grenzen van de meetbaarheid van zeldzame muonvervallen te verleggen en de kans op de ontdekking van nieuwe fundamentele natuurwetten te maximaliseren.