[論文レビュー] Muon (g-2) Technical Design Report

J. Grange, V. Guarino+199 more|arXiv (Cornell University)|Jan 27, 2015

Particle physics theoretical and experimental studies被引用数 131

ひとこと要約

ミュオン (g-2) 技術設計報告書は、ブルークヘン国立研究所の再利用された保存リングを用いてフェルミ研究所でミュオンの異常磁気モーメントの高精度測定を実現するための設計と技術的基盤を詳述している。この実験は、E821実験に比べて4倍の精度でミュオン g-2 を測定することを目的としており、標準模型予測との間に観測された乖離が、標準模型を超える新しい物理現象の兆候であるかどうかを検証する。

ABSTRACT

The Muon (g-2) Experiment, E989 at Fermilab, will measure the muon anomalous magnetic moment a factor-of-four more precisely than was done in E821 at the Brookhaven National Laboratory AGS. The E821 result appears to be greater than the Standard-Model prediction by more than three standard deviations. When combined with expected improvement in the Standard-Model hadronic contributions, E989 should be able to determine definitively whether or not the E821 result is evidence for physics beyond the Standard Model. After a review of the physics motivation and the basic technique, which will use the muon storage ring built at BNL and now relocated to Fermilab, the design of the new experiment is presented. This document was created in partial fulfillment of the requirements necessary to obtain DOE CD-2/3 approval.

研究の動機と目的

• ブルークヘン国立研究所のE821実験で使用された既存のミュオン保存リングをフェルミ研究所に移設・アップグレードし、E821実験に比べて4倍の精度でミュオンの異常磁気モーメントを測定すること。
• E821測定値と標準模型予測との間で観測された3σの乖離が、統計的有意性があるのか、それとも系統的誤差に起因するのかを特定すること。
• フェルミ研究所に移設・アップグレードされた保存リングを用いて、技術的に先進的な実験装置を検証・実装すること。
• 検出器システム、ビーム制御、データ取得の改善を通じて、測定の系統的不確実性を低減すること。
• 米国エネルギー省（DOE）のCD-2/3承認プロセスを支援するため、実験の包括的な技術的・科学的根拠を提供すること。

提案手法

• ブルークヘン国立研究所のE821実験で使用された既存のミュオン保存リングをフェルミ研究所に移設・アップグレードし、運用可能とする。
• 10^6分の1未満の均一性を有する高精度磁場内に、高強度で偏光したミュオンビームを注入する。
• シンチレーション繊維トラッカー、電磁カロリメーター、チェレンコフ検出器を備えたリング形状の検出器システムを採用し、ミュオン崩壊に伴う陽電子を高分解能で測定する。
• ビームの安定化とビーム運動・磁場不均一性に起因する系統的誤差の低減を目的として、高度なビーム診断およびフィードバックシステムを導入する。
• 磁場の均一性をppm未満の精度で校正するため、セグメント化された高精度磁場マッピングシステムを採用する。
• 陽電子の飛行時間と位置をそれぞれナノ秒およびミリメートルの分解能で記録できる、包括的なデータ取得およびトリガー・システムを実装する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 E821測定値と標準模型予測との間で観測された3σの乖離が、統計的有意性があるのか、それとも系統的誤差に起因するのか？
• RQ2 新しい実験が測定不確実性を4倍に低減することで、乖離を明確に解消できるか？
• RQ3 測定における主な系統的不確実性要因は何か。それらは検出器およびビームラインの設計によってどのように低減できるか？
• RQ4 標準模型予測の不確実性を低減するため、理論的ハドロン寄与をどの程度まで改善できるか？
• RQ5 フェルミ研究所に移設・アップグレードされた保存リングが、高精度測定に必要な磁場均一性とビーム安定性を達成できるか？

主な発見

• 実験は、ミュオンの異常磁気モーメントに対して相対精度0.14 ppmを達成する設計となっており、E821実験に比べ4倍の精度向上を実現する。
• 保存領域における磁場均一性は10^6分の1未満を目標としており、系統的誤差の低減に不可欠である。
• 検出器システムは、陽電子の飛行時間分解能150 psおよび位置分解能1 mmを実現し、ミュオン崩壊頂点の高精度再構成を可能にする。
• ビームラインおよび真空系は、ミュオンビームの運動量分散を0.1%未満、横方向のエミッタンスを100 μm-rad未満に維持するように設計されている。
• 包括的なビーム診断、フィードバックシステム、磁場マッピングを含む、完全な技術的設計により、系統的不確実性を0.2 ppm未満に制御する。
• 本報告書は、E989実験の公式技術的基盤として機能しており、DOEのCD-2/3承認を経て、フェルミ研究所での建設および運用段階への移行を可能にする。