We address an event reconstruction method for the muon-to-electron conversion in the COMET Phase-I experiment and estimate the single event sensitivity. The signal event of the experiment is an 104.97 MeV electron from the muon-to-electron conversion which proves the charged lepton flavor violation. The background one is an electron from the decay-in-orbit (DIO) where two additional electrons are emitted and take kinetic energy away. To reject the background ones that have energy close to the signal electron energy, the momentum of electrons should be fitted precisely by reconstructing their tracks. While propagating through the magnetic field, signal and background electrons can make multiple helix turns where we should classify each hit for each helix turn segment. For the helix turn classification, (1) we prepare the set of seeds by investigating the possible ranges of the initial position and momentum for the specific helix turn segment and find the optimal one using a minimization model and, (2) classify hits for the segment if their distance-of-closest-approach (DCA) to the extrapolated track is less than the cutoff value. This method generally works on the 90–104.97 MeV electrons with 200 keV of energy resolution, while show about 60% tracking efficiency for the signal ones. Since the huge amount of computation was required, we parallelized the algorithms with the GPU where we could accelerate the event reconstruction by a factor of more than 100 compared to the single CPU core. The single event sensitivity of the muon-to-electron conversion during the 150 days DAQ was estimated to be 4.4×E−15.
이 논문에서는 COMET Phase-I 실험의 이온화 검출기에서 발생하는 뮤온의 단일 전자 붕괴 사건을 재구성하는 방법론을 다루고 실험의 단일 사건 민감도를 도출해내었다. 검출기에서의 신호는 대전된 경입자의 맛깔 깨짐으로 인한 뮤온의 전자 붕괴로 부터 나오는 104.97 MeV의 전자이다. 배경잡음은 뮤온이 궤도상에서 중성미자와 전자로 함께 붕괴 되면서 나오는 전자이고 이들의 에너지는 중성미자에 의해 빼앗기기 때문에 최대 104.97 MeV의 에너지를 갖게 된다. 그러므로 신호 전자와 비슷한 에너지를 가지는 배경 전자를 구별하기 위해선 검출기에서 전자의 궤도를 재구성하여 운동량을 최대한 정교하게 근사해낼 수 있어야한다. 이온화 검출기 내부에서 복수의 나선 회전을 만들어 내는 전자의 사건 재구성을 위해서는 각 이온화 반응을 나선 회전에 대해 분류해야한다. 나선 회전의 분류 알고리즘은 다음과 같다: (1) 특정 나선 회전에서 전자가 가질 수 있는 초기 운동량과 위치의 범위를 가늠한 뒤 격자 형태로 나누어서 위치와 운동량의 시드를 준비하고 최소화모델을 이용해 최적의 시드를 구한다. (2) 최적의 시드로 부터 전개된 트랙에서 허용 오차보다 가까운 이온화 지점은 해당 나선회전의 트랙에 속한 것으로 분류한다. 이 방법론은 복수의 나선회전을 가지는 90-104.97 MeV의 전자에 대해 약 200 keV의 에너지 해상도를 보였으며 신호 전자에 대해서는 약 60%의 재구성 효율을 보였다. 한편 각 시드의 최소제곱값을 구하는 과정에서 막대한 연산량이 요구되었기 때문에 알고리즘을 GPU를 이용해 병렬화를 시켜서 처리량을 단일 CPU 코어 대비 약 100배 이상 끌어올렸다. 150일간의 데이터 수집에 대하여 뮤온 전자 붕괴의 단일 사건 실험 민감도는 4.4×E-15 로 추정되었다.
