Search for the rare decay mü ---> eee with a high rate experiment based on thin Monolithic Active Pixel Sensors

• Antragsteller: Professor Dr. Niklaus Berger
• Fachliche Zuordnung: Kern- und Elementarteilchenphysik, Quantenmechanik, Relativitätstheorie, Felder
• Förderung: Förderung von 2012 bis 2019
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 212235208

• Erstellungsjahr: 2018

Zusammenfassung der Projektergebnisse

Das Standardmodell der Elementarteilchenphysik enthält drei elektronartige Teilchen (das Elektron, das Muon und das Tau) sowie drei Neutrinos, zusammen Leptonen genannt. Lange herrschte die Meinung vor, dass die Zahl jeder Art (jedes Flavours) von Leptonen erhalten ist. Seit der Entdeckung von Neutrino-Oszillationen ist bekannt, dass dies nicht der Fall ist. Bei den geladenen Leptonen wurden hingegen bisher keine Lepton-Flavour-verletzende Prozesse beobachtet. Der genaue Mechanismus und die Starke Lepton-Flavour verletzender Prozesse ist von großem Interesse, besteht doch eine enge Verbindung zum Ursprung der Neutrino-Massen, CP-Verletzung und Physik jenseits des Standardmodels. Unser Emmy-Noether Projekt hat ein Experiment für die Suche nach dem Lepton-Flavour-verletzenden Zerfall µ+ → e+ e− e+ mit einer Sensitivität von einem in 10^16 µ (einer in 5 ∙ 10^14 in einer ersten Phase) Zerfallen entwickelt. Um diese Sensitivität zu erreichen, wird ein Detektor aus dünnen, monolithischen aktiven Silizium-Pixel-Sensoren mit Hochspannung (HV-MAPS) benötigt, der die Impulse der Elektronen aus bis zu hundert Millionen µ Zerfällen (aus dem intensivsten Muonstrahl der Welt am Paul Scherrer Institut in der Schweiz) pro Sekunde präzise messen kann. In dem Projekt haben wir den den Detektor entworfen und mit Hilfe von Simulationen gezeigt, dass die angestrebte Sensitivität erreicht werden kann. Wir haben entscheidend dazu beigetragen, die HV-MAPS-Technologie vom proof-of-principle zu einem großen, voll integrierten Sensor zu entwickeln, der im Experiment eingesetzt werden kann. Wir haben ein Datennahmesystem entwickelt und mit Prototypen getestet, das in der Lage ist, die vom Detektor produzierten 100Gbit/s Daten auszulesen, mehr als hundert Millionen Spuren geladener Teilchen pro Sekunde mit Hilfe eigens entwickelter Algorithmen zu rekonstruieren und darin nach Ereignissen mit drei Teilchen von einem gemeinsamen Ursprung zu suchen. Dies wird ermöglicht durch die Verwendung von programmierbaren Logik-Bausteinen (FPGAs), schnellen optischen Verbindungen und Graphikprozessoren (GPUs). Das Mu3e-Experiment, eine internationale Kollaboration von zwölf Instituten, soll 2020 mit der Datennahme beginnen.

Projektbezogene Publikationen (Auswahl)

• “A Tracker for the Mu3e Experiment based on High-Voltage Monolithic Active Pixel Sensors”, Nucl. Instrum. Meth., A732 61–65, 2013
  N. Berger et al.
  
• “High-voltage pixel detectors in commercial CMOS technologies for ATLAS, CLIC and Mu3e experiments”, Nucl. Instrum. Meth., A731 131–136, 2013
  I. Perić et al.
  
• “Research Proposal for an Experiment to Search for the Decay µ → eee”, January 2013
  A. Blondel et al.
  
• “A new track reconstruction algorithm for the Mu3e experiment based on a fast multiple scattering fit”, JINST, 9(12) C12012, 2014
  A. Kozlinskiy, A. Schöning, M. Kiehn, N. Berger and S. Schenk
  
• “Multiple Coulomb Scattering in Thin Silicon”, JINST, 9 P07007, 2014
  N. Berger et al.
  
• “The proposed trigger-less TBit/s readout for the Mu3e experiment”, JINST, 9 C01011, 2014
  S. Bachmann et al.
  
• “A New Three- Dimensional Track Fit with Multiple Scattering”, Nucl. Instrum. Meth., A844 135, 2017
  N. Berger, M. Kiehn, A. Kozlinskiy and A. Schöning
  
• “The MuPix System-on-Chip for the Mu3e Experiment”, Nucl. Instrum. Meth., A845 194–198, 2017
  H. Augustin et al.
  
• “The MuPix Telescope: A Thin, high Rate Tracking Telescope”, JINST, 12(01) C01087, 2017
  H. Augustin et al.
  
• “Efficiency and timing performance of the MuPix7 highvoltage monolithic active pixel sensor”, Nucl. Instr. Meth. A, 902 158, 2018
  H. Augustin et al.