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

Este documento apresenta uma Carta de Intenção para desenvolver um novo experimento de busca pela violação de sabor leptônico carregado no processo $\mu^+ \to e^+ \gamma$ na instalação de Feixe de Múons de Alta Intensidade (HIMB) do PSI, visando superar a sensibilidade do experimento MEG II em mais de uma ordem de magnitude e consolidar a liderança do laboratório nessa área de física além do Modelo Padrão.

O essencial

Imagine que o universo é uma gigantesca orquestra tocando uma música perfeita. Na "partitura" oficial da física (chamada Modelo Padrão), existem regras rígidas sobre como as partículas devem se comportar. Uma dessas regras diz que certos "músicos" (partículas chamadas léptons carregados) nunca devem trocar de instrumento ou de família. Por exemplo, um múon (uma partícula pesada e instável) nunca deveria se transformar espontaneamente em um elétron (uma partícula leve e estável) enquanto emite um raio de luz (um fóton).

No entanto, a física moderna suspeita que essa partitura está incompleta. Existem "novos compositores" (Nova Física) que podem ter escrito acordes secretos que permitem essa troca proibida. Se conseguirmos ouvir esse acorde, teremos a prova definitiva de que existe física além do que conhecemos.

Este documento é um Plano de Missão de um grupo internacional de cientistas para caçar essa "nota proibida" (o decaimento $\mu^+ \to e^+ \gamma$) com uma precisão nunca antes vista.

Aqui está a explicação do plano, traduzida para uma linguagem simples e com analogias:

1. O Objetivo: A Caça ao "Fantasma"

Atualmente, o experimento MEG II no laboratório PSI (na Suíça) é o melhor detetive do mundo nessa área. Ele já conseguiu dizer: "Se esse fantasma existe, ele é muito, muito raro". Mas os cientistas querem ir além. Eles querem saber se o fantasma é tão raro quanto o MEG II diz, ou se ele está se escondendo em um nível ainda mais difícil de detectar.

O plano é construir um novo detector, chamado MEG3, que será capaz de ver o fantasma com uma sensibilidade 10 vezes maior (ou mais) do que o atual recorde.

2. O Cenário: Uma Fábrica de Partículas Superpotente

Para encontrar algo tão raro, você precisa de muitos "tentativas". Imagine tentar adivinhar qual carta foi tirada de um baralho. Se você tirar uma carta por dia, demorará anos. Se tirar um milhão de cartas por segundo, você achará o padrão rápido.

• O Problema: Os feixes de múons atuais são como um torneiro de água pingando.
• A Solução: O PSI está construindo uma nova instalação chamada HIMB (Feixe de Múons de Alta Intensidade). Será como trocar o pingar por um canhão de água. Eles esperam ter 100 vezes mais múons do que hoje.

3. O Desafio: O "Ruído" da Festa

Aqui está o problema: quando você aumenta a quantidade de partículas (o volume da festa), aumenta também o "ruído".

• O Sinal: Um múon se transforma em um elétron e um raio de luz exatamente ao mesmo tempo e na direção oposta.
• O Ruído (Fundo): Às vezes, um múon emite um raio de luz e outro múon, que passou perto, emite um elétron. Se eles acontecerem quase ao mesmo tempo, o detector pode achar que é o sinal, mas é apenas uma coincidência (como dois estranhos na festa gritando "Ei!" ao mesmo tempo e você achando que é uma conversa).

Com o novo feixe superpotente, essas coincidências aleatórias vão explodir. Se o detector for "tolo" e não tiver uma visão muito nítida, ele vai se perder no ruído.

4. A Inovação: Trocar a Câmera por um "Rastreador de Pistas"

O experimento atual (MEG II) usa um grande tanque de Xenônio Líquido para detectar o raio de luz (o fóton). É como uma câmera gigante que vê a luz brilhar. O problema é que essa câmera tem um limite de resolução; não dá para melhorá-la muito mais.

O novo plano propõe uma mudança radical: Não medir a luz diretamente, mas sim as "pegadas" que ela deixa.

• A Analogia: Em vez de tentar ver a luz do farol de um carro à noite (o que é difícil se houver neblina), vamos colocar uma camada fina de vidro na frente. Quando a luz bate no vidro, ela se transforma em duas partículas (um elétron e um pósitron) que saem voando.
• O Detector: Em vez de um tanque de líquido, eles usarão camadas finas de cristais especiais (LYSO) seguidas por detectores de gás ou silício. Eles vão rastrear essas duas partículas que saem voando.
• Por que é melhor? É como usar um detector de metal em vez de um detector de som. Você consegue medir a energia e a direção com muito mais precisão, filtrando o "ruído" da festa.

5. O Plano em Etapas (Não pule para o final)

Como construir algo tão complexo e caro exige cuidado, eles propõem um plano em três atos:

• Atos 0 (Prova de Conceito): Antes de construir a máquina gigante, eles vão fazer testes pequenos. "Será que nosso método de transformar luz em partículas funciona na prática?" Eles vão usar feixes de teste para validar a tecnologia.
• Ato I (O Treinamento): Nos anos 2030, eles construirão uma versão do detector no feixe atual (que é forte, mas não o "super" feixe). O objetivo aqui é:
  1. Melhorar o limite atual em 10 vezes.
  2. Testar se os novos ímãs e detectores aguentam o tranco.
  3. Aprender a lidar com o "ruído" antes de ter o feixe superpotente.
• Ato II (A Grande Caçada): Na segunda metade da década de 2030, com o feixe superpotente (HIMB) pronto, eles ligarão a máquina completa. Com a tecnologia testada no Ato I e a intensidade máxima, eles tentarão quebrar o recorde mundial, alcançando uma sensibilidade de 1 em 100 trilhões (ou seja, se 100 trilhões de múons se desintegrarem, eles conseguirão ver se um deles fez a troca proibida).

6. Por que isso importa?

Se eles encontrarem esse decaimento, será uma das maiores descobertas da física moderna. Significaria que o Modelo Padrão está incompleto e que existem novas partículas ou forças no universo que ainda não conhecemos. Seria como descobrir que a música da orquestra tem um instrumento que ninguém sabia que existia.

Resumo da Ópera:
Cientistas suíços, japoneses, italianos e outros estão planejando construir a "caçadora de fantasmas" mais sensível do mundo. Eles vão usar uma tecnologia nova (transformar luz em rastros de partículas) e um feixe de partículas superpotente. Eles não vão pular direto para o final; vão fazer um "treino" primeiro para garantir que, quando o grande show começar, eles não percam a chance de ouvir a música secreta do universo.

Resumo técnico

Resumo Técnico: Futuro Experimento $\mu^+ \to e^+ \gamma$ no HIMB/PSI

1. O Problema e o Contexto

No Modelo Padrão (MP) da física de partículas, processos de violação de sabor de lépton carregado (cLFV) são praticamente proibidos, com taxas de ramificação extremamente baixas ($\sim 10^{-54}$). No entanto, extensões do Modelo Padrão (Nova Física - NP) preveem taxas mensuráveis. O canal $\mu^+ \to e^+ \gamma$ é particularmente sensível a modelos de NP que envolvem vértices do tipo dipolo.

Atualmente, o experimento MEG II no Instituto Paul Scherrer (PSI) detém o limite mais rigoroso ($B < 1.5 \times 10^{-13}$), com uma sensibilidade projetada final de $6 \times 10^{-14}$. Embora outros experimentos (Mu3e, Mu2e, COMET) busquem canais complementares ($\mu^+ \to e^+e^+e^-$ e $\mu^- N \to e^- N$), a medição do canal $\mu^+ \to e^+ \gamma$ é essencial para discriminar entre diferentes modelos de Nova Física, especialmente se uma descoberta ocorrer em qualquer um dos canais. O objetivo deste documento é propor um programa experimental para superar o limite do MEG II em mais de uma ordem de magnitude, alcançando sensibilidades na faixa de $10^{-15}$.

2. Metodologia e Conceito Experimental

O projeto propõe uma abordagem em duas fases, aproveitando a atualização das instalações de feixe de múons do PSI para o High Intensity Muon Beam (HIMB), que aumentará a intensidade do feixe em duas ordens de magnitude (de $\sim 10^8$ para $10^{10}$ $\mu^+$/s).

Conceito Central: Espectrometria de Conversão de Fótons
Diferente do MEG II, que utiliza um calorímetro de Xenônio Líquido (LXe), a nova proposta adota como solução de base a conversão de fótons em pares $e^+e^-$.

• Mecanismo: O fóton de alta energia é convertido em um par elétron-pósitron em uma camada fina de material denso (conversor ativo).
• Detecção: O par $e^+e^-$ é rastreado por um espectrômetro magnético.
• Vantagens: Esta abordagem promete uma resolução de energia e direção muito superior à do calorímetro, essencial para suprimir o fundo acidental em taxas de feixe elevadas.
• Conversor Ativo: Propõe-se o uso de cristais cintiladores (LYSO) instrumentados com fotossensores (SiPM) para medir a perda de energia por ionização no próprio conversor, corrigindo a energia reconstruída pelo rastreador e melhorando a resolução temporal.

Configuração Magnética
São consideradas duas configurações principais:

1. Solenóide Único: Ambos os espectrômetros (pósitron e fóton) dentro de um único solenóide longo, permitindo um rastreador de pósitrons tipo Mu3e.
2. Estrutura Solenóide-Toroidal: O rastreador de pósitrons em um solenóide central e o detector de conversão de fótons em um campo toroidal externo, permitindo otimização independente dos campos.

Rastreamento de Pósitrons

• Fase I: Utilização de câmaras de deriva de gás (similar ao MEG II) ou soluções de R&D para taxas moderadas ($2 \times 10^8$ $\mu^+$/s).
• Fase II: Transição para detectores de pixels de silício (HVMAPS) ultrafinos, semelhantes aos do Mu3e, para suportar taxas de feixe de até $10^{10}$ $\mu^+$/s e minimizar o espalhamento múltiplo de Coulomb.

3. Contribuições Chave e Inovações

• Nova Tecnologia de Detecção de Fótons: A substituição do calorímetro de LXe por um espectrômetro de pares convertidos com conversores ativos (LYSO) representa uma mudança de paradigma para lidar com altas taxas de contagem.
• Estratégia de "Proof-of-Concept" (Fase-0): Antes da construção completa, propõe-se um teste experimental para validar a eficiência de conversão e as resoluções de tempo/energia usando feixes de elétrons e fótons, incluindo testes com o ímã COBRA existente.
• Abordagem Escalonada (Roadmap):
  • Fase-0: Validação da técnica de conversão.
  • Fase-I (início dos anos 2030): Operação em linhas de feixe convencionais do HIPA com taxas de até $2 \times 10^8$ $\mu^+$/s. Objetivo: Melhorar a sensibilidade do MEG II e validar componentes (ímãs, conversores, DAQ).
  • Fase-II (segunda metade da década de 2030): Operação no HIMB com taxas de até $10^{10}$ $\mu^+$/s, utilizando detectores de silício e conversores multicamadas para atingir a sensibilidade final.
• Sincronização com Mu3e: O projeto alinha seu cronograma com o programa Mu3e, aproveitando o desenvolvimento de tecnologias de rastreamento de silício e o uso compartilhado de instalações de feixe.

4. Resultados Esperados e Sensibilidade

Com base em simulações e estimativas de desempenho do detector (Tabela 1 do documento), o projeto projeta as seguintes sensibilidades (limite superior de 90% CL):

• Fase I: Com uma taxa de feixe de $2 \times 10^8$ $\mu^+$/s e uma única camada de conversão, espera-se atingir uma sensibilidade de $\sim 1.5 \times 10^{-14}$. Isso já supera a sensibilidade final esperada do MEG II.
• Fase II: Com taxas de feixe acima de $10^9$ $\mu^+$/s e quatro camadas de conversão, a sensibilidade projetada cai para a faixa de $(2-3) \times 10^{-15}$.
• Impacto na Nova Física: Esta sensibilidade permitiria discriminar modelos de Nova Física em escalas de massa competitivas com os melhores experimentos propostos de conversão nuclear ($\mu \to e$) e decaimento tripleto ($\mu \to 3e$), especialmente em regiões dominadas por interações de dipolo.

5. Significância

Este projeto é crucial para manter a liderança do PSI na busca por física além do Modelo Padrão.

1. Complementaridade: Garante que o canal $\mu^+ \to e^+ \gamma$ permaneça competitivo com os canais $\mu \to 3e$ e $\mu \to e$ conversão, permitindo uma discriminação robusta entre modelos teóricos caso uma descoberta seja feita.
2. Inovação Tecnológica: Impulsiona o desenvolvimento de detectores de alta granularidade, conversores ativos e sistemas de aquisição de dados (DAQ) de streaming para lidar com taxas de eventos extremas.
3. Viabilidade: A estratégia de fases reduz riscos tecnológicos, permitindo a validação de conceitos complexos (como a conversão ativa de fótons) antes do investimento total na instalação de alta intensidade.

Em suma, a proposta desenha um caminho claro para uma nova geração de experimentos de cLFV, potencialmente descobrindo Nova Física ou estabelecendo limites que desafiarão teorias fundamentais na próxima década.