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Charged lepton flavour violation and exotic physics searches with the MEGII and Mu3e experiments

English title Charged lepton flavour violation and exotic physics searches with the MEGII and Mu3e experiments
Applicant Papa Angela
Number 172706
Funding scheme Project funding (Div. I-III)
Research institution Paul Scherrer Institut
Institution of higher education Paul Scherrer Institute - PSI
Main discipline Particle Physics
Start/End 01.09.2017 - 31.08.2021
Approved amount 243'052.00
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Keywords (6)

Charged lepton flavour violation; Muon; Majoron; Dark Photon; MEGII experiment; Mu3e experiment

Lay Summary (Italian)

Lead
La fisica delle particelle elementari studia i costituenti fondamentali della materia e le loro interazioni. Obiettivo di questo programma di ricerca è studiare alcuni processi di interazione tra particelle elementari ad oggi mai osservati prima e la cui scoperta rappresenterebbe una chiara evidenza dell’ esistenza di nuove particelle ed interazioni, i quali potrebbero aiutarci a dare una risposta a tante domande ancora aperte riguardanti l’ Universo ed le leggi che lo governano. La probabilità che questi processi avvengano è molto bassa e molto difficile da misurare pertanto il loro studio richiede l’uso del più intenso fascio di muoni al mondo, disponibile al Paul Scherrer Institute Villigen (Svizzera) e le più sofisticate tecnologie (gli apparati sperimentali MEGII e Mu3e).
Lay summary

 La fisica delle particelle elementari ha come obiettivo quello di comprendere la natura dei costituenti fonda- mentali della materia e delle loro interazioni. Il Modello Standard, recentemente arricchito e supportato dalla scoperta del bosone di Higgs, è la teoria (modello matematico) che sintetizza la nostra attuale miglior conoscenza della fisica delle particelle elementari. Nonostante il suo straordinario successo nel descrivere l’ enorme quantità di dati esistono forti motivazioni teoriche e significative evidenze sperimentali che suggeriscono la necessità di estendere il Modello Standard: (a) Sviluppi teorici al di là del Modello Standard cercano di fornire teorie capaci di rispondere alle domande lasciate aperte da esso, inglobandolo al loro interno; (b) Gli sforzi sperimentali mirano a scoprire fenomeni che in maniera univoca contribuiscono alla costruzione di una teoria completa e coerente.

Esistono diversi approcci sperimentali per affrontare queste questioni fondamentali della fisica delle parti- celle elementari. Un modo molto efficace è cercare processi con probabilità molto bassa o addirittura nulla di accadere secondo le predizioni del Modello Standard ma fortemente favoriti dalle teorie al di là del Modello Standard: Una loro scoperta fornirebbe un inequivocabile segnale di qualcosa di nuovo, nuove particelle e nuove interazioni non previste dal Modello Standard, e spesso indicate come ”nuova fisica”. Addirittura la non evidenza di questi nuovi processi ha un ruolo decisivo nella comprensione della natura che ci circonda: Quanto più bassa è la sensibilità raggiunta del processo ricercato tanto più alta è la scala in energia alla quale questa nuova fisica si manifesta. Attraverso lo studio di questi processi è possibile esplorare scale in energia altissime, altrimenti non raggiungibili nemmeno attraverso l’uso dei più potenti acceleratori di particelle disponibili al mondo. In questo contesto processi quali μ → eγ, μ → eee e la conversione muonica in nuclei risultano tra le sonde attualmente più sensibili.  

L’ obiettivo di questo progetto è cercare il processo μ → eγ con una sensibilità di 4 × 10−14 con l’apparato sperimentale MEGII. Se il processo cercato ha una probabilità di accadere di almeno 4 × 10−14 rispetto agli altri processi concorrenti associati alla trasformazione (decadimento) del muone allora l’esperimento MEGII dovrebbe essere in grado di misurarlo.

Il progetto include inoltre la ricerca di uno degli altri canali fortemente favoriti per la scoperta di nuova fisica, complementare al precedente: La ricerca del processo μ → eee con una sensibilità di ≈ 10−15 (durante la prima fase, alla quale questo progetto si riferisce) fino ad esplorare sensibilit`a dell’ordine o inferiore a ≈ 10−16 (seconda fase) con l’ apparato sperimentale Mu3e.

Direct link to Lay Summary Last update: 14.12.2017

Responsible applicant and co-applicants

Employees

Associated projects

Number Title Start Funding scheme
177038 Data Acquisition System for the MEG II Experiment - Follow up 01.11.2018 R'EQUIP
162654 Fundamentale Myonenphysik am Paul Scherrer Institut 01.11.2015 Project funding (Div. I-III)
157742 Data Acquisition System for the MEG II Experiment 01.07.2015 R'EQUIP

Abstract

The purpose of this project is to contribute substantially to the charged Lepton Flavour Violation (cLFV) searches looking at the µ+ ? e+? decay with the MEG II apparatus and the µ+ ? e+e+e- decay with the Mu3e apparatus and to undertake exotic physics channel searches with both apparatuses.PSI has been at the forefront of this research topic delivering the most intense continuous muon beam in the world and therefore being the predestinated place to perform such experiments. Evidence for a decay µ+ ? e+? or µ+ ? e+e+e- would signal a violation of charged lepton flavour conservation thus providing a clear proof for new physics Beyond the Standard Model (BSM) of particle physics. With the LHC searches so far turning up empty-handed the search for cLFV has in fact become one of the most promising avenues in the search for BSM physics. The origin of dark matter is still a great puzzle in particle physics and cosmology. In particular the interest in searches of light boson vectors has recently increased by astrophysical observations and can be accessed and complemented with terrestrial and well controlled muon and pion experiments. Furthermore searches of Majoron massless would help on disentangle among different models. PSI with its high intensity pion beam lines are in addition to muon physics favorite places where to look at for exotic physics as Majoron (J) and Dark Photon (A').This project is made of two sub-projects: The first one to be carried out with the MEG II apparatus (project A) and the second one with the Mu3e apparatus (project B).Project A consists of two related tasks connected with the MEG II experiment:• Implementation of a dedicated quasi-monochromatic Mott scattered positron beam as a calibration method to characterize the new MEG II spectrometer;• Search for the Majoran via the µ+ ? e+J decay after a deeply and fully understanding of the MEG II spectrometer.Project B would address the following tasks related to the Mu3e experiment:• Commissioning of the new Mu3e fibre hodoscope;• Search for dark photons via decays µ+ ? e+?_e anti-?_µ A', A' ? e+e-;• Feasibility study for the dark photon search via neutral pion decays p0 ? ?A', A' ? e+e-.Both projects have the same structure: The first part is devoted to complete either the MEG II or the Mu3e apparatus in order to search for cLFV processes and the second part is dedicated to explore new physics cases with basically no changes in the experimental setups.With this SNF call the applicants would like to ask for two PhD positions, one for project A (PhD student A: 4 years) and the other for project B (PhD student B: 4 years). The outlined research plan will also allow the possibility for several master and undergraduate students to become involved in the projects. All required infrastructure including some auxiliary detectors will be provided by PSI, which will also supply technical support. The PhD students will be inscribed at ETH Zurich under the supervision of Prof. Klaus Kirch.
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