[論文レビュー] Status of the Fermilab Muon (g-2) Experiment

B Lee Roberts|Jan 17, 2010

Superconducting Materials and Applications被引用数 12

ひとこと要約

フェルミラブのミューオン（g-2）実験は、ブルークヘンのE821実験に比べて4倍の精度向上を目指し、0.14 ppmの精度を達成する。再組み立てられたストレージリングを用い、マジックガンマ技術を適用し、改良されたビームおよび検出器システムを導入する。目的は、標準模型理論が予測するミューオンの異常磁気モーメントを検証することであり、現在、e⁺e⁻消滅データを用いた場合、3.2σの不一致が観測されており、これは標準模型理論を超える新しい物理現象の兆候である可能性がある。

ABSTRACT

The New Muon $(g-2)$ Collaboration at Fermilab has proposed to measure the anomalous magnetic moment of the muon, $a_μ$, a factor of four better than was done in E821 at the Brookhaven AGS, which obtained $a_μ= [116 592 089 (63)] imes 10^{-11}$ $\pm 0.54$ ppm. The last digit of $a_μ$ is changed from the published value owing to a new value of the ratio of the muon-to-proton magnetic moment that has become available. At present there appears to be a difference between the Standard-Model value and the measured value, at the $\simeq 3$ standard deviation level when electron-positron annihilation data are used to determine the lowest-order hadronic piece of the Standard Model contribution. The improved experiment, along with further advances in the determination of the hadronic contribution, should clarify this difference. Because of its ability to constrain the interpretation of discoveries made at the LHC, the improved measurement will be of significant value, whatever discoveries may come from the LHC.

研究の動機と目的

• ミューオンの異常磁気モーメント $a_\mu$ を 0.14 ppm の精度で測定し、E821実験に比べて4倍の精度向上を達成する。
• e⁺e⁻消滅データを用いた場合に観測される測定値 $a_\mu$ と標準模型理論の予測との間の継続的で3.2σの不一致を解明する。
• 超対称性や追加次元といった標準模型理論を超える物理の寄与を高感度で制限するために、精度を向上させる。
• フェルミラブの高強度プロトンビームとアップグレードされた検出器システムを活用し、より高いミューオンフラックスとデータレートを実現する。
• プロジェクトX時代に、NOvA実験と同時に運用可能であり、データ収集効率を最大化する。

提案手法

• 実験はマジックガンマ技術を用い、ミューオンを磁場中に保存する際、スピンの進化周波数がサイクロトロン周波数と一致するように運動量を調整することで、系統誤差を最小限に抑える。
• ミューオンスピンの進化は、崩壊電子の非対称性を測定することで行い、高エネルギーの崩壊電子を最大限に捉えるように最適化された検出器を用いる。
• 磁場はプロトンNMRを用いて測定され、自由なプロトンのラーモア周波数にキャリブレーションされ、高精度な磁場マップが得られる。
• 異常は比 $\mathcal{R} = \tilde{\omega}_a / \omega_p$ から抽出され、ここで $\tilde{\omega}_a$ は補正済みスピン進化周波数、$\omega_p$ はプロトンラーモア周波数である。
• フェルミラブのリサイクラーリングを用いて、プロトンビームを4×10¹²個のビームパケットに再束ね、ブルークヘンに比べて5～10倍のミューオン生成効率を向上させる。
• セグメント検出器と高度な電子回路を用いて、ビーム強度の上昇に伴うデータレートの増加と、重ね合わせ（プールアップ）の低減を実現する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 ミューオンの異常磁気モーメントは、E821に比べて4倍の精度、つまり0.14 ppmで測定可能か？
• RQ2 より高い精度で観測された3.2σの不一致が、依然として存在するか？ これは新しい物理の兆候を示唆するか？
• RQ3 強い相互作用の真空極化寄与の知識が向上することで、$a_\mu$ の不一致の解釈にどのような影響を与えるか？
• RQ4 フェルミラブのミューオン（g-2）実験は、NOvA実験と同時に運用可能であり、その精度目標を達成できるか？
• RQ5 超対称性の寄与に対する感度は、特に $\tan\beta$ と $\mu$ パラメータの符号とどのように関係するか？

主な発見

• ブルークヘンのE821実験は、±0.54 ppmの精度を達成し、測定された $a_\mu = [116\,592\,089(63)] \times 10^{-11}$ であったが、ミューオンとプロトンの磁気モーメント比の新しい値に伴い、後で補正された。
• 測定値 $a_\mu$ と標準模型理論の予測との間に約255×10⁻¹¹の不一致が観測され、e⁺e⁻消滅データを用いた場合、3.2σの有意性を示した。
• 強い相互作用寄与を$\tau$崩壊から決定した場合、不一致は約2σに低下し、結果が入力データソースに極めて敏感であることが明らかになった。
• フェルミラブの計画では、資金とビームの可用性が確保されれば、2年間の運転で組み合わせ誤差±0.14 ppmを達成できると予想されている。
• 実験はNOvAと同時に運用可能であり、使用されていないブースタービームサイクルを活用する設計となっており、延長運転により0.1 ppmの精度に到達可能である。
• 向上した精度により、特に$\mu$パラメータの符号と$\tan\beta$との関係において、超対称性モデルの制限感度が著しく向上する。