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An Introduction to the Mu3e Experiment

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Academic year: 2022

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(1)

An Introduction to the Mu3e Experiment

Moritz Kiehn

Institute of Physics Heidelberg University, Germany

International School of Subnuclear Physics, Erice 2013

(2)

Introduction 2/

16

The Mu3e Experiment

• Precision experiment

• Search for µ + → e + e e +

• Charged Lepton Flavor Violation (cLFV)

• New Physics search (Indirect)

In this Talk

• Theoretical motivation

• Experimental design

• Current status

(3)

Flavor in the Standard Model 3/

16

adapted from[Wikipedia]

Original Formulation

• Quark transitions via Weak Interaction

• Lepton flavor conserved

Neutrino Mixing

• LFV in neutral sector

• Charged sector?

(4)

µ → eee in the Standard Model 4/

16

Features

• Charged lepton flavor violating

• Via neutrino mixing

• Suppressed by ∼ ∆m

2 ν

m

2W

2

• Expected BR( µ → eee) < 10 −50

Importance

• Observable BR only from

New Physics

(5)

Beyond the Standard Model 5/

16

In Loops At Tree Level

• e.g. SUSY

• Also enhances µ → e γ

• e.g new heavy boson

• No µ → e γ enhancement

(6)

Current Limits 6/

16

cLFV Process BR @ 90 %CL Experiment

µ + → e + e e + < 1 × 10 −12 Sindrum

[Nucl.Phys. B299(1)]

µ + → e + γ < 5 . 7 × 10 −13 MEG

[arXiv:1303.0754]

µ + Au → e + Au < 7 × 10 −13 Sindrum II

[Eur. Phys. J. C47 337–346]

Our Goal: BR(µ + → e + e e + ) < 1 × 10 −16 @ 90% CL

(7)

Experimental Idea 7/

16

Target μ Beam

1. Stop a lot of muons 2. Let them decay

3. Measure decay electrons

4. Find three coincident electrons

(8)

Muon beams at PSI 8/

16

Paul-Scherrer Institute

• Villigen, Switzerland

• Currently hosts the MEG Experiment

Muon Beam Lines

• Low energy DC Beams

• Current beam lines:

≈ 1 × 10 8 muons /s

• Future high intensity beam:

> 1 × 10 9 muons /s

→ High Rates

(9)

Signals and Backgrounds 9/

16

Signal

e

+

e

+

e

-

• ( P

P i ) 2 = m µ 2

• P

~ p i = 0

• p max ≈ 53 MeV

Backgrounds Internal Conversion

e

-

e

+

e

+ ν

ν

• Single vertex

• In-time

Combinatorial

e

+

e

+

e

-

• No single vertex

• Out-of-time

→ Fast, precise electron tracker + timing

P ~ p i 6= 0

(10)

Multiple Scattering 10/

16

Short Tracks

Ω MS

θ

MS

B θ MS = 13.6 MeV p p

x /X 0 e.g. p = 35 MeV, 200 µm Si, ΩR = 5 cm → ∆y ≈ 1 mm

Semi Circle

Ω ~π MS

θ

MS

B

In first order / fixed momentum

→ Minimize material, optimize geometry

(11)

High Voltage MAPS 11/

16

[I. Peric et al., NIM A, 2013]

Monolithic Active Pixel Sensor

• High voltage ∼ 60 V

• Fast (drift time ∼ 1 ns)

• Can be thinned < 50 µm

• Integrated Readout

• Integrated Zero-Suppression

→ no extra readout chip

(12)

Ultra-Lightweight Mechanics 12/

16

• 50 µm Silicon

• 25 µm Kapton Flexprint

• 50 µm Kapton support frame

→ < 1 ‰ Radiation length

(13)

Experimental Design 13/

16

Target μ Beam

• Magnetic field ∼ 1 T

• Fibres σ t ∼ 1 ns

• Tiles σ t < 250 ps

(14)

Experimental Design 13/

16

Target Inner pixel layers μ Beam

• Magnetic field ∼ 1 T

• Fibres σ t ∼ 1 ns

• Tiles σ t < 250 ps

(15)

Experimental Design 13/

16

Target Inner pixel layers

Scintillating fibres

Outer pixel layers μ Beam

• Magnetic field ∼ 1 T

• Fibres σ t ∼ 1 ns

• Tiles σ t < 250 ps

(16)

Experimental Design 13/

16

Target Inner pixel layers

Scintillating fibres

Outer pixel layers Recurl pixel layers

Scintillator tiles

μ Beam

• Magnetic field ∼ 1 T

• Fibres σ t ∼ 1 ns

• Tiles σ t < 250 ps

(17)

Simulated Sensitivity 14/

16

Resolution Sensitivity

2] Reconstructed Mass [MeV/c

101 102 103 104 105 106

Events per muon decay and 0.1 MeV

10-20

10-19

10-18

10-17

10-16

10-15

10-14

10-13

10-12

10-11

10-10 µ eeeνν generated

simulated ν eeeν

µ Signal BF 10-12 Signal BF 10-13 Signal BF 10-14 Signal BF 10-15 Signal BF 10-16 Signal BF 10-17

• Full detector simulation

• Combinatorics reduced by timing / vertex cuts

• Sensitivity down to BR < 1 × 10 −16

(18)

Status 15/

16

• Research Proposal

[arXiv:1301.6113]

(accepted in January 2013)

• Pixel Sensor Prototypes

• Mechanical Prototypes

• Testbeam Measurements

• . . .

Research Proposal for an Experiment to Search for the Decayµeee

A. Blondel, A. Bravar, M. Pohl Département de physique nucléaire et corpusculaire,

Université de Genève, Genève S. Bachmann, N. Berger, M. Kiehn, A. Schöning, D. Wiedner, B. Windelband

Physikalisches Institut, Universität Heidelberg, Heidelberg P. Eckert, H.-C. Schultz-Coulon, W. Shen Kirchoff Institut für Physik, Universität Heidelberg, Heidelberg

P. Fischer, I. Perić Zentralinstitut für Informatik, Universität Heidelberg, Mannheim

M. Hildebrandt, P.-R. Kettle, A. Papa, S. Ritt, A. Stoykov Paul Scherrer Institut, Villigen G. Dissertori, C. Grab, R. Wallny Eidgenössiche Technische Hochschule Zürich, Zürich

R. Gredig, P. Robmann, U. Straumann Universität Zürich, Zürich

December 10th, 2012

arXiv:1301.6113v1 [physics.ins-det] 25 Jan 2013

(19)

Status 15/

16

• Research Proposal

[arXiv:1301.6113]

(accepted in January 2013)

• Pixel Sensor Prototypes

• Mechanical Prototypes

• Testbeam Measurements

• . . .

(20)

Status 15/

16

• Research Proposal

[arXiv:1301.6113]

(accepted in January 2013)

• Pixel Sensor Prototypes

• Mechanical Prototypes

• Testbeam Measurements

• . . .

(21)

Summary & Outlook 16/

16

Summary

• Search for µ + → e + e e +

• Fast and precise elecron tracker

• additional timing

• ultimate sensitivity

BR(µ + → e + e e + ) < 1 × 10 −16

Timeline

Phase I Phase II(High Intensity)

20 14 20 13

20 15 20 16

20 17 20 18

20 19

R&D

Prototype Data

R&D

Prototype Data

Collaboration

• Paul-Scherrer Institute

• ETH Zürich

• University Zürich

• University Geneva

• Heidelberg University

• ZITI Mannheim

(22)

Backup

(23)

Effective Lagrangian Example 16/

16

L LFV =

m µ

(κ + 1 )Λ 2 µ R σ µν e L F µν

γ−penguin

+

κ

(κ + 1 )Λ 2 (µ L γ µ e L )(e L γ µ e L )

tree

adapted from[A. de Gouvea, Nucl. Phys B. (Proc. Suppl.), 188 303–308]and[arXiv:hep-ph/9909265]

(24)

Example Frame at High Intensity 16/

16

High Intensity: 2 × 10 9 muons / s

→100 tracks / 50 ns readout frame (before / after timing cuts)

(25)

Expected Sensitivity over Time 16/

16

Referenzen

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