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

该意向书提出在 PSI 的高强度μ子束（HIMB）设施开展未来的$μ^+ \to e^+ \gamma$实验，旨在十年内将探测灵敏度较当前领先的 MEG II 实验提升一个数量级以上，以巩固 PSI 在该领域的领导地位并有效甄别新物理模型。

要点

这是一份关于未来粒子物理实验的“意向书”（Letter of Intent）。简单来说，这是一群科学家在说：“我们要在瑞士的 PSI 实验室建一个新的超级探测器，用来寻找一种极其罕见、甚至可能改变我们对宇宙认知的现象。”

为了让你轻松理解，我们可以把这个项目比作在暴风雨中捕捉一颗特定的“完美雨滴”。

1. 他们在找什么？（µ+ → e+ γ）

想象一下，宇宙中有一种叫“缪子”（Muon）的粒子，它像是一个脾气暴躁的“大哥哥”，通常会在极短的时间内“分裂”成几个小粒子。

• 正常情况：大哥哥分裂时，通常会变成一个小弟弟（电子）和一个看不见的幽灵（中微子），这就像正常的家庭聚会，大家都按规矩办事。
• 异常情况（我们要找的）：有时候，大哥哥可能会“作弊”，直接分裂成一个小弟弟（正电子）和一道闪光（光子/伽马射线）。
  • 在目前的物理理论（标准模型）中，这种“作弊”几乎是不可能的，概率比在撒哈拉沙漠里找到一粒特定的沙子还要低（大约是 $10^{-54}$）。
  • 但是，如果我们在实验中真的抓到了这种“作弊”事件，那就意味着现有的物理理论是错的，背后一定藏着某种全新的、未知的物理力量（新物理）。

2. 为什么现在要做这个？（MEG II 的接力赛）

目前，世界上最灵敏的探测器叫 MEG II，它已经非常厉害了，就像是用一个高倍望远镜在找那粒沙子。它已经把“作弊”发生的概率上限压得很低。

• 现状：其他几个实验（如 Mu3e, Mu2e）也在用不同的方法找类似的线索，它们非常强大。
• 问题：如果未来真的发现了“作弊”，我们需要知道它具体是哪种“作弊”方式。不同的物理理论预测的“作弊”比例不同。如果只有 MEG II 的数据，我们就像只有一张模糊的照片，看不清细节。
• 目标：我们需要一个新的、更强大的探测器（我们叫它 MEG3），它的灵敏度要比现在的 MEG II 再提高 10 倍以上。这样，无论哪个实验先发现线索，我们都能通过对比，精准地画出“新物理”的地图。

3. 他们有什么新武器？（HIMB 和 新探测器）

为了找到那粒更稀有的沙子，科学家需要两样东西：

1. 更多的“雨”：他们计划利用 PSI 实验室升级后的 HIMB（高强度缪子束）。这就像把原本的小雨变成了超级暴雨，缪子的数量将增加 100 倍。
2. 更聪明的“筛子”：
   • 旧方法（MEG II）：像用大网捞鱼，虽然网眼很细，但面对“超级暴雨”时，网会被堵死，而且很难分清哪条鱼是我们要的。
   • 新方法（本提案）：他们打算换一种策略。不再直接“看”那道闪光，而是让闪光穿过一层特殊的“薄板”（转换器），把光变成一对“电子 - 正电子”双胞胎。
   • 比喻：就像你不想直接看清闪电，而是看闪电击中地面后溅起的两个水花。通过追踪这两个水花的轨迹、速度和方向，我们可以反推出闪电原本的样子。这种方法在“暴雨”中更精准，能更好地过滤掉杂乱的背景噪音。

4. 他们的计划路线图（三步走）

科学家很务实，知道一下子建好超级探测器太难，所以分三步走：

• 第 0 步（Phase-0）：试水

  • 任务：先做一个小型的“概念验证”。就像在正式盖大楼前，先搭个模型，测试一下那个“把光变成水花”的转换器好不好用。
  • 时间：现在到 2028 年左右。

• 第 1 步（Phase-I）：中型实验

  • 任务：在现有的普通束流线上，先建一个“缩小版”的探测器。虽然缪子数量还没达到最大，但我们要证明新设计是有效的，并且灵敏度能比现在的 MEG II 好很多。
  • 时间：2030 年代初。

• 第 2 步（Phase-II）：终极形态

  • 任务：等到 HIMB 的“超级暴雨”完全准备好，并且 Mu3e 实验结束后，我们启动终极版探测器。这时候，缪子数量巨大，配合我们完美的“筛子”，我们将有机会达到前所未有的灵敏度（$10^{-15}$ 级别）。
  • 时间：2030 年代后半段。

5. 为什么要这么做？（意义）

这就好比人类在探索宇宙的边缘。

• 如果找不到，说明我们目前的物理理论（标准模型）依然坚不可摧，这本身也是一种胜利。
• 如果找到了，那将是诺贝尔奖级别的发现！这意味着我们发现了一个全新的世界，就像当年发现原子核或希格斯玻色子一样，将彻底改变我们对物质、能量和宇宙起源的理解。

总结

这份文件就是一份**“寻宝地图”**。一群来自世界各地的顶尖科学家（意大利、日本、德国、英国等）联合起来，计划在瑞士的 PSI 实验室，利用升级后的超级缪子束流，通过一种全新的、更聪明的探测技术，分阶段去捕捉那个可能颠覆物理学的“幽灵信号”。

他们不仅想“看到”它，还想“看清”它，从而解开宇宙中最深层的谜题。

技术摘要

这份文件是一份关于在瑞士保罗·谢尔研究所（PSI）的高强度μ子束（HIMB）设施上开展未来 $\mu^+ \to e^+ \gamma$ 实验的意向书（Letter of Intent）。该文件由一个国际研究小组提交，旨在提出一个新的实验方案，以超越当前领先的 MEG II 实验的灵敏度，探索超出标准模型（BSM）的新物理。

以下是该文件的详细技术摘要：

1. 研究背景与问题 (Problem)

• 物理动机：在标准模型（SM）中，带电轻子味破坏（cLFV）过程（如 $\mu^+ \to e^+ \gamma$）是被严格禁止的（分支比极低，$\sim 10^{-54}$）。然而，许多超出标准模型的新物理（NP）理论预测这些过程会以可测量的速率发生。因此，$\mu^+ \to e^+ \gamma$ 是探测新物理最敏感、最干净的探针之一。
• 当前局限：
  • 目前的 MEG II 实验设定了最佳上限（$B < 1.5 \times 10^{-13}$），并计划在 2026 年达到 $6 \times 10^{-14}$ 的灵敏度。
  • 其他实验（如 Mu3e 的 $\mu^+ \to e^+e^+e^-$ 和 Mu2e/COMET 的 $\mu^- N \to e^- N$ 转换）正在建设或运行中，其灵敏度将接近或超过 MEG II。
  • 关键挑战：不同的新物理模型对这三个过程的贡献机制不同（$\mu^+ \to e^+ \gamma$ 主要涉及偶极子项，而其他过程可能涉及四费米子接触相互作用）。如果在一个通道中发现信号，必须通过比较其他通道的结果来区分具体的新物理模型。这就要求 $\mu^+ \to e^+ \gamma$ 的灵敏度必须与其他通道具有可比性。
• 目标：利用 PSI 即将升级的 HIMB 设施（μ子流强比现有束流高两个数量级），将 $\mu^+ \to e^+ \gamma$ 的灵敏度在未来十年内提高一个数量级以上（从 $10^{-13}$ 提升至 $10^{-15}$ 量级）。

2. 方法论与实验概念 (Methodology)

该提案采用分阶段的方法，核心创新在于光子探测技术的变革。

A. 束流要求

• Phase-I：利用现有的 HIPA 设施，μ子停止率 $R_\mu \approx 2 \times 10^8 \, \mu^+/\text{s}$。
• Phase-II：利用升级后的 HIMB 设施，μ子停止率 $R_\mu \approx 10^9 - 10^{10} \, \mu^+/\text{s}$。
• 背景抑制：在高流强下，主要背景来自不同μ子衰变产生的偶然符合（Accidental Background）。为了抑制背景，必须极大提高能量、时间和角度的分辨率，因为背景率与流强的平方（$R_\mu^2$）成正比。

B. 探测器设计创新

传统的 MEG II 使用液氙（LXe）量能器探测光子。新提案提出了一种**转换对谱仪（Conversion Pair Spectrometer）**作为基线方案：

1. 光子探测（核心创新）：
   • 原理：光子穿过一层薄的致密材料（如 LYSO 晶体），转化为 $e^+e^-$ 对，随后在磁场中被追踪。
   • 优势：相比量能器，转换对谱仪能提供更高的能量分辨率和位置分辨率，并能独立测量光子的入射角度，从而显著降低偶然背景。
   • 主动转换器：使用 LYSO 晶体作为“主动转换器”，直接测量电离能量损失以修正能量，并作为定时探测器（时间分辨率目标 $\sim 20-30$ ps）。
   • 追踪器：使用气体探测器（如径向 TPC 或 MPGD）或硅像素探测器来追踪 $e^+e^-$ 对，要求极低的材料预算以减少多次库仑散射。
2. 正电子探测：
   • Phase-I：可能沿用或改进 MEG II 的漂移室（Drift Chamber），配合新型气体混合物。
   • Phase-II：针对超高流强，采用类似 Mu3e 实验的超薄硅像素传感器（HVMAPS），具有极高的粒度和抗辐射能力，时间分辨率目标 $\sim 20$ ps。
3. 磁场配置：
   • 方案 A（单螺线管）：正电子和光子谱仪共用一个长螺线管磁场。
   • 方案 B（螺线管 - 环面）：正电子在中心螺线管内，光子转换探测器位于外部环面磁场中。这种设计允许独立优化两个区域的磁场，但需解决光子转换前的材料问题。

C. 实施路线图 (Roadmap)

• Phase-0 (概念验证)：在现有设施上进行束流测试，验证 LYSO 晶体转换器和 TPC 追踪器的性能（时间分辨率、能量分辨率、转换效率）。
• Phase-I (早期 2030 年代)：在常规束流线上运行。使用部分最终探测器组件（如减少层数的转换器），利用现有或改进的漂移室。目标是将灵敏度提升至 $10^{-14}$ 量级，验证高流强下的触发和读出架构。
• Phase-II (2030 年代后期)：在 HIMB 设施上运行。使用完整的探测器系统（多层转换器、硅像素追踪器、专用磁铁）。目标是将灵敏度提升至 $10^{-15}$ 量级。

3. 关键贡献 (Key Contributions)

• 技术路线革新：提出了用光子转换对谱仪替代传统液氙量能器作为未来高流强实验的基线方案，解决了液氙量能器在极高流强下难以进一步提升分辨率的瓶颈。
• 分阶段策略：设计了从 Phase-0 到 Phase-II 的稳健发展路径，降低了技术风险，确保在 Mu3e 等并行实验的间隙中也能取得进展。
• 主动转换技术：详细论证了利用 LYSO 晶体作为主动转换器，同时实现能量修正和定时测量的可行性，并展示了初步的束流测试数据（单 MIP 时间分辨率达 22-27 ps）。
• 高流强适应性：针对 $10^{10} \, \mu^+/\text{s}$ 的极端环境，提出了基于 HVMAPS 和先进气体探测器（径向 TPC）的追踪方案，以及基于流式数据获取（Streaming DAQ）的触发系统。

4. 预期结果与性能 (Results & Performance)

根据模拟和灵敏度估算：

• 探测器性能指标（目标值）：
  • 光子能量分辨率：200 keV
  • 光子时间分辨率：30 ps
  • 正电子能量分辨率：100 keV
  • 正电子时间分辨率：30 ps
  • 光子探测效率（4 层）：~10%
• 灵敏度预测：
  • Phase-I（$2 \times 10^8 \, \mu^+/\text{s}$，单层转换器）：灵敏度可达 $\sim 1.5 \times 10^{-14}$，显著优于 MEG II 的最终预期。
  • Phase-II（$>10^9 \, \mu^+/\text{s}$，4 层转换器）：灵敏度可达 $(2-3) \times 10^{-15}$。
• 物理意义：在 $|\kappa_D| \le 1$ 的参数空间内，Phase-II 的灵敏度将优于 Mu3e 和 Mu2e 的最终预期，仅在极少数极端模型下略逊于 AMF/PRISM 提案，从而确保 PSI 在该领域的领导地位。

5. 意义 (Significance)

• 新物理探索：如果 $\mu^+ \to e^+ \gamma$ 在 $10^{-15}$ 水平被观测到，将是确凿的新物理证据。即使未观测到，将限制新物理能标推高至 TeV 甚至更高能级。
• 模型区分能力：通过与其他 cLFV 通道（$\mu \to 3e$, $\mu-e$ 转换）的灵敏度匹配，该实验对于区分不同的新物理模型（如超对称、额外维度、轻子夸克混合等）至关重要。
• 技术引领：该项目将推动高能物理探测器技术的发展，特别是在高粒度硅像素探测器、快速定时探测器（LYSO/SiPM）、径向 TPC 以及高流强数据采集系统方面。
• 机构地位：确保 PSI 在未来十年内继续保持μ子物理研究的全球中心地位。

总结：这份意向书提出了一套详尽且可行的技术方案，旨在利用 PSI 的下一代束流设施，通过革命性的光子探测手段，将 $\mu^+ \to e^+ \gamma$ 的搜索灵敏度提升一个数量级，从而在寻找超越标准模型的新物理竞赛中保持关键竞争力。