[論文レビュー] Muon g-2 Experiment at Fermilab

F. Gray|arXiv (Cornell University)|Oct 1, 2015

Particle physics theoretical and experimental studies参考文献 12被引用数 8

ひとこと要約

フェルミラブE989ミューオンg-2実験は、再利用された超伝導ストレージリング磁石とアップグレードされた検出器を用いて、ミューオンの異常磁気モーメントを140 ppbの精度で測定することを目的としており、ブルークヘブンE821の測定結果と標準模型予測との間の3σの不一致を検証する。これが確認されれば、標準模型を超える新しい素粒子物理学の証拠となるだろう。

ABSTRACT

A new experiment at Fermilab will measure the anomalous magnetic moment of the muon with a precision of 140 parts per billion (ppb). This measurement is motivated by the results of the Brookhaven E821 experiment that were first released more than a decade ago, which reached a precision of 540 ppb. As the corresponding Standard Model predictions have been refined, the experimental and theoretical values have persistently differed by about 3 standard deviations. If the Brookhaven result is confirmed at Fermilab with this improved precision, it will constitute definitive evidence for physics beyond the Standard Model. The experiment observes the muon spin precession frequency in flight in a well-calibrated magnetic field; the improvement in precision will require both 20 times as many recorded muon decay events as in E821 and a reduction by a factor of 3 in the systematic uncertainties. This paper describes the current experimental status as well as the plans for the upgraded magnet, detector and storage ring systems that are being prepared for the start of beam data collection in 2017.

研究の動機と目的

• ミューオンの異常磁気モーメントに関するブルークヘブンE821の測定結果と標準模型予測との間の持続的な3σの不一致を解消すること。
• E821実験よりも3.8倍高い精度、つまり140 ppbの精度でミューオンの異常磁気モーメントを測定すること。
• E821と比較して系統的不確かさを3倍小さくすること。主に、強化された磁場マッピング、改善されたNMRキャリブレーション、および高度なビーム診断によるもの。
• スケーリングやダークフォトンなどの新しい物理学が、ミューオンの磁気モーメントの観測された不一致を説明できるかを検証すること。
• フェルミラブで再構成・アップグレードされたストレージリングシステムを用いて、独立的かつ高精度の測定を実施すること。

提案手法

• 偏光したミューオンが正確に校正された1.45 Tの磁場内で循環する際のスピンの進化周波数を測定し、関係式 ωₐ = aₘ(e/m)B を用いる。
• 高エネルギーの陽電子の変調周波数から、ミューオン崩壊で検出された電磁カルシウム検出器を用いて、異常進化周波数 ωₐ を抽出する。
• 磁場は300個以上の固定NMRプローブでモニタリングされ、真空内を走るトロリーと絶対基準を用いたキャリブレーションにより、ωₚの不確かさを70 ppbに抑える。
• 2か所に設置されたストロングチューブトラッキングチェンバーの新システムにより、ミューオン崩壊の生成点とビーム分布を測定し、磁場の平均化を向上させ、電気双極子モーメントの検出を可能にする。
• ビームプロファイルモニタとして、蛍光繊維を用いた装置を重要な位置に設置し、注入最適化とビーム安定性の監視を実施する。
• E821ストレージリング磁石を再構成し、改善されたシャミングと安定性を備えた状態で、1.45 T、5100 Aで動作させ、定格電流より高い安全余裕を確保する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 フェルミラブでの測定精度を向上させることで、ブルークヘブンE821の測定結果と標準模型予測との間の3σの不一致が確認できるか？
• RQ2 ハドロン的真空偏極とライト・バイ・ライト散乱が、aₘにおける理論的不確かさに与える寄与は何か。そして、その不確かさはどのように低減できるか？
• RQ3 フェルミラブ実験における系統的不確かさは、E821と比較してどの程度低減できるか。特に磁場測定とビーム安定性の面で。
• RQ4 陽電子の運動量の変調を介して、ミューオンの電気双極子モーメントを検出できるか？
• RQ5 フェルミラブでの精度向上が、スケーリングやダークフォトンなどの標準模型を超える新しい物理学の存在を確認するか？

主な発見

• 再構成されたE821ストレージリング磁石が5300 Aに正常に通電され、定格の5100 Aを上回り、シャミングの準備が整ったことを確認した。
• 初回通電後の磁場マッピングでは、方位角方向の磁場変動が最終的なE821マップの1桁小さい値に留まり、優れた磁場品質を示した。
• プロトンNMR周波数ωₚの目標不確かさは70 ppbに設定され、E821と比較して3倍の改善が達成された。これは頻繁なトロリーキャリブレーションとプローブ安定性の向上により実現された。
• ビームの試験運転は2017年3月に開始予定で、夏の休止期間を経て2017年9月に本格的なデータ収集を開始する予定である。
• 初回の結果はCIPANP 2018会議に間に合わせる予定であり、ブルークヘブンで観測された3σの不一致が確認されるか否かを検証する。
• E821と比較して20倍のミューオン崩壊イベントを収集し、統計的精度を著しく向上させる予定である。