German Title: Sensitivitätsstudien zu Neuer Physik im Mu3e-Experiment und Entwicklung von Firmware für das Mu3e-Pixeldetektor-Front-End

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Abstract

The upcoming Mu3e experiment aims to search for the lepton flavour violating decay mu+->e+e-e+ with a final sensitivity of one signal decay in 10^16 muon decays. As this decay is forbidden in the Standard Model of particle physics, an observation would be a clear indication for New Physics beyond the Standard Model. The ambitious sensitivity goal imposes several challenges on the experiment, among which a high track and data rate. In the context of this thesis, an on-line algorithm for hit sorting by time stamp is developed as part of the firmware of the pixel detector front-end. System integration tests in test beam measurements with pixel sensor prototypes yield data transfer efficiencies in excess of 99.95% and demonstrate the suitability of the concept for the data acquisition system of Mu3e. The feasibility of background-free mu->eee searches in the first phase of the experiment is confirmed in detailed simulation studies. A single event sensitivity to the signal decay of 2.3*10^-15 is estimated - an improvement by more than two orders of magnitude compared to existing limits. In addition, a model-independent effective field theory approach is developed and used to estimate the sensitivity for different New Physics interactions. Furthermore, the physics programme of the experiment is expanded by exploring two additional processes involving New Physics: lepton flavour violating two-body decays of the muon and muon decays with promptly decaying dark photons. For both channels, it is shown that a highly competitive sensitivity can be achieved. This work thus highlights the unique possibilities of New Physics searches with rare muon decays in the Mu3e experiment.

Translation of abstract (German)

Das Mu3e-Experiment plant eine Suche nach dem Leptonfamilienzahl-verletzenden Zerfall mu+->e+e-e+ mit einer finalen Sensitivität von einem Signalzerfall in 10^16 Myonzerfällen. Da dieser Zerfall im Standardmodell der Teilchenphysik verboten ist, wäre eine Beobachtung ein eindeutiges Zeichen für Neue Physik jenseits des Standardmodells. Das ambitionierte Sensitivitätsziel birgt eine Reihe von Herausforderungen für das Experiment, unter anderem hohe Spur- und Datenraten. Im Rahmen dieser Arbeit wird ein Algorithmus zum Zeit-Sortieren der Treffer des Pixeldetektors in Echtzeit für die Front-End-Firmware entwickelt. In Systemintegrationstests in Teststrahlmessungen mit Pixelsensor-Prototypen werden Datentransfer-Effizienzen oberhalb von 99.95% erzielt, was die Eignung des Konzepts für das Datennahmesystem von Mu3e nachweist. Die Machbarkeit von Untergrund-freien mu->eee-Suchen in der ersten Phase des Experiments wird in detaillierten Simulationsstudien bestätigt. Eine Einzelereignis-Sensitivität von 2.3*10^-15 für den Signalzerfall wird erwartet - eine Verbesserung um mehr als zwei Größenordnungen gegenüber existierenden Ausschlussgrenzen. Außerdem wird eine Modell-unabhängige Methode basierend auf effektiven Feldtheorien entwickelt, mit dem die Sensitivität für verschiedene Wechselwirkungen Neuer Physik bestimmt wird. Zusätzlich wird das Physikprogramm des Experiments erweitert indem zwei weitere Prozesse Neuer Physik untersucht werden: Leptonfamilienzahl-verletzende Zweikörperzerfälle des Myons und Myonzerfälle mit prompt zerfallenden dunklen Photonen. Für beide Zerfallskanäle wird gezeigt, dass eine konkurrenzfähige Sensitivität für das Experiment erreicht werden kann. Diese Arbeit betont somit die einzigartigen Möglichkeiten für Suchen nach Neuer Physik in seltenen Myonzerfällen mit dem Mu3e-Experiment.