Mu2e Run I Sensitivity Projections for the Neutrinoless μ− → e− Conversion Search in Aluminum

Byrum, K.; Corrodi, S.; Oksuzian, Yu.; Winter, P.; Xia, L.; Wagner, R.; Carey, R. M.; Edmonds, A.; Israel, S.; Miller, J. P.; Mott, J.; Barnes, E.; Palladino, A.; Jorjadze, V.; Khalatian, V.; Quirk, J.; Roberts, B. L.; Song, H.; Tran, N.; Wang, Y.; Marciano, W. J.; Ding, D.; Herman, A.; Hirsh, S.; Kolomensky, Yu. G.; Singh, V.; Varier, D.; Harrig, K.; Nguyen, M. T.; Prebys, E. J.; Molzon, W.; Borrel, L.; Cheng, C. H.; Echenard, B.; Flood, K.; Hitlin, D. G.; Kim, J. H.; Li, Y.; Lin, D.; Middleton, S.; Miyashita, T.; Oyang, J.; Porter, F.; Roehrken, M.; Trevor, J.; Zhu, R. Y.; Casler, H.; Minh, T. N.; Lynch, K. R.; Popp, J. L.; Artikov, A.; Atanov, N.; Baranov, V.; Budagov, I.; Chokheli, D.; Davydov, Y.; Glagolev, V.; Suslov, I.; Oh, S.; Wang, C.; Adentunji, J.; Alber, R.; Allen, D.; Allspach, D.; Ambrosio, G.; Andreev, N.; Arnold, D.; Badgley, K.; Ball, M.; Barker, J.; Bartoszek, L.; Bernstein, R. H.; Bianchi, I.; Biery, K.; Boi, S.; Bono, J.; Bossert, R.; Bowden, M.; Brandt, J.; Brown, G.; Brown, H.; Buelher, M.; Campbell, M.; Casey, B.; Cheban, S.; Chen, M.; Coghill, J.; Coleman, R. N.; Crowley, C.; Culbertson, R.; Deshpande, A.; Dey, J.; Dhanraj, J.; Dinnon, M.; Dixon, S.; Drake, G.; Drendel, B.; Duerling, G.; Eddy, N.; Evans, R.; Evbota, D.; Fagan, J.; Feher, S.; Fellenz, B.; Flumerfelt, E.; Friedsam, H.; Gallo, G.; Gaponenko, A.; Gardner, M.; Gaugel, S.; Genser, K. L.; Ginther, G.; Glass, H.; Glenzinski, D. A.; Goodenough, L.; Hahn, A.; Hansen, S.; Hartsell, B.; Hays, S.; Hocker, A.; Huedem, E.; Huffman, D.; Ibrahim, A.; Johnstone, C.; Kargiantoulakis, M.; Kashikhin, V.; Kasper, P.; Kiper, T.; Knapp, D.; Knoepfel, K.; Kokosa, L.; Kozlovsky, M.; Kracczyk, G.; Kramp, M.; Krave, S.; Krempetz, K.; Kutschke, R. K.; Kwarciany, R.; Lackowski, T.; Lamm, M. J.; Larwill, M.; Leavell, F.; Leeb, D.; Leveling, T.; Lewis, R.; Lincoln, D.; Lombardo, V.; Lopes, M. L.; Luca, A.; Makulski, A.; Martinez, A.; Mcarthur, D.; Mcconologue, F.; Michelotti, L.; Mitchell, D.; Mokhov, N.; Morgan, J.; Mukherjee, A.; Murat, P.; ∗ Nagaslaev, V.; Neuffer, D.; Nicol, T.; Niehoff, J.; Nogiec, J.; Norman, A.; O’Dell, V.; Olderr, P.; Olson, M.; Orris, D.; Oshinowo, B.; Ostojic, R.; Page, T.; Park, C.; Peterson, T.; Pilipenko, R.; Pla-Dalmau, A.; Poloubotko, V.; Popovic, M.; Prieto, P.; Pronskikh, V.; Pushka, D.; Rabehl, R.; Rakness, G.; Ray, R.; Rechenmacher, R.; Rivera, R.; Robotham, W.; Rubinov, P.; Rucinski, R.; Rusu, V.; Sarychev, M.; Scarpine, V.; Schappert, W.; Schoo, D.; Stefanik, A.; Still, D.; Stratakis, D.; Strauss, T.; Sun, Y.; Tang, Z.; Tanovic, N.; Tartaglia, M.; Tinsley, D.; Tope, T.; Tschirhart, R. S.; Vogel, G.; Wagner, R.; Wands, R.; Wang, M.; Werkema, S.; White, Jr.; H. B.,; Whitmore, J.; Wielgos, R.; Woods, R.; Worel, C.; Yucel, M.; Zifko, R.; Bini, S.; Bloise, C.; Colao, F.; Diociaiuti, E.; Gargiulo, R.; Giovannella, S.; Hampai, D.; Happacher, F.; Miscetti, S.; Paesani, D.; Sanzani, E.; Saputi, A.; Sarra, I.; Bersani, A.; Fabbricatore, P.; Farinon, S.; Musenich, R.; Ferrari, A.; Knodel, O.; Mueller, S.; Rachamin, R.; Alexander, D.; Ahmed, W.; Daniel, A.; Caron, J. F.; Hungerford, E.; Bolton, T.; Horton-Smith, G.; Maravin, Yu.; Neely, R.; Taylor, R.; Sobering, T.; Bonventre, R.; Brown, D.; Lee, M. J.; Pagan, S.; Soleti, S. R.; Varier, D.; Vinas, L.; Grancagnolo, F.; Tassielli, G.; Hooper, R.; Mesmer, N.; Kozminski, J.; Bowcock, T.; Harkness-Brennan, L.; Judson, D.; Price, J.; Tickle, S.; Chislett, R.; Motuk, E.; Plesniak, P.; Warren, M.; Brown, D. N.; Alvarez-Garcia, C.; Appleby, R.; Borghi, S.; Gersabeck, M.; Keshavarzi, A.; Lancaster, M.; Fontana, F.; Martini, M.; Devilbiss, M.; Tecchio, M.; Wu, Y.; Abdi, F.; Ambrose, D.; Boedigheimer, K.; Breach, M.; Bulugean, G. M.; Ciampa, K.; Ekka, U.; Frand, M.; Gray, P.; Heller, K.; Lema-Sinchi, J.; Ley, A.; Li, B.; Manolis, J.; Martin, E.; Messerly, B.; Molenaar, D.; Moore, J.; Northrup, K.; Ragheb, A.; Rizzo, G.; Samavat, M. F.; Schmitter, P.; Ta, J.; Torkelson, A.; Turnberg, S.; Wardlaw, I.; Wildberger, R.; Wills, L.; Djilkibaev, R.; Abrams, R.; Ankenbrandt, C.; Cummings, M. A. C.; Roberts, T. J.; Blazey, G.; Dychkant, A.; Francis, K.; Hedin, D.; Narayanan, A.; Pohlman, N.; Syphers, M.; Uzunyan, S.; Zutshi, V.; De Gouvea, A.; Ding, D.; Kampa, C.; Mackenzie, M.; Pollack, B.; Schmitt, M.; Szemraj, L.; Velasco, M.; Amirkhanov, A.; Logashenko, I.; Zhadan, D.; Bellettini, G.; Cervelli, F.; Ciolini, R.; Chitirasreemadam, N.; Crescimbeni, L.; Di Falco, S.; De Felice, G.; Donati, S.; Ferrari, C.; Gioiosa, A.; Giusti, V.; Marini, A.; Morescalchi, L.; Pasciuto, D.; Pedreschi, E.; Raffaelli, F.; Spinella, F.; Taffara, A.; Vitali, B.; Cao, H.; Chen, J.; Finley, J.; Hedges, M.; Huang, S.; Jones, M.; Koltick, D.; Shi, X.; Frank, M.; Jenkins, M.; You, Z.; Zanetti, A.; Barton, B.; Dukes, E. C.; Ehrlich, R.; Farrell, W.; Farris, P.; Fernandez, E.; Gandrajula, R. P.; Goadhouse, S.; Group, C.; Hung, P. Q.; Miles, C.; Roberts, S.; Schumacher, K.; Solt, M.; Song, E.; Srivastav, M.; Stetzler, S.; Zadeh, P.; Demers, S.; Pezzullo, G.; Stortini, M.

doi:10.3390/universe9010054

The Mu2e experiment at Fermilab will search for the neutrinoless (Formula presented.) conversion in the field of an aluminum nucleus. The Mu2e data-taking plan assumes two running periods, Run I and Run II, separated by an approximately two-year-long shutdown. This paper presents an estimate of the expected Mu2e Run I search sensitivity and includes a detailed discussion of the background sources, uncertainties of their prediction, analysis procedures, and the optimization of the experimental sensitivity. The expected Run I (Formula presented.) discovery sensitivity is (Formula presented.), with a total expected background of (Formula presented.) events. In the absence of a signal, the expected upper limit is (Formula presented.) at 90% CL. This represents a three order of magnitude improvement over the current experimental limit of (Formula presented.) at 90% CL set by the SINDRUM II experiment.