[論文レビュー] Technical Design Report for the Paul Scherrer Institute Experiment R-12-01.1: Studying the Proton "Radius" Puzzle with μp Elastic Scattering

R. Gilman, E. J. Downie+57 more|arXiv (Cornell University)|Sep 27, 2017

Particle Accelerators and Free-Electron Lasers被引用数 28

ひとこと要約

MUSE実験は、パウル・シュレーディンガー研究所で実施されており、高精度なミューオン-陽子（μp）および電子-陽子（ep）弾性散乱を同時に測定することで、陽子半径パズルを解明することを目的としている。偏極ミューオンおよび電子ビームを用いたデュアルビーム分光計を用いることで、同一の実験セットアップ内で断面積、フォーム因子、半径を比較し、系統的不確実性を低減する。これにより、レプトンユニバーサリティおよび二光子交換効果を、1%未満のレベルで5σの感度で検証可能となる。

ABSTRACT

The difference in proton radii measured with $μp$ atoms and with $ep$ atoms and scattering remains an unexplained puzzle. The PSI MUSE proposal is to measure $μp$ and $e p$ scattering in the same experiment at the same time. The experiment will determine cross sections, two-photon effects, form factors, and radii independently for the two reactions, and will allow $μp$ and $ep$ results to be compared with reduced systematic uncertainties. These data should provide the best test of lepton universality in a scattering experiment to date, about an order of magnitude improvement over previous tests. Measuring scattering with both particle polarities will allow a test of two-photon exchange at the sub-percent level, about a factor of four improvement on uncertainties and over an order of magnitude more data points than previous low momentum transfer determinations, and similar to the current generation of higher momentum transfer electron experiments. The experiment has the potential to demonstrate whether the $μp$ and $ep$ interactions are consistent or different, and whether any difference results from novel physics or two-photon exchange. The uncertainties are such that if the discrepancy is real it should be confirmed with $\approx$5$σ$ significance, similar to that already established between the regular and muonic hydrogen Lamb shift.

研究の動機と目的

• 同じ実験から得られるμpおよびep散乱データを直接比較することで、陽子半径パズルを解消すること。
• 最小限の系統的バイアスで、ミューオンおよび電子の両方の断面積とフォーム因子を測定することで、量子電磁力学におけるレプトンユニバーサリティを検証すること。
• 陽子半径測定値の不一致が、二光子交換効果に起因するのか、あるいは標準模型を超える新しい物理学に起因するのかを調査すること。
• μpおよびep結果間に実際の不一致が存在する場合、その検出に5σの有意水準を達成すること。
• 同時に測定、ビーム極性反転、分光計角度および多次散乱補正の高精度キャリブレーションにより、系統的不確実性を最小限に抑えること。

提案手法

• パウル・シュレーディンガー研究所に設置されたデュアルビーム分光計を用い、陽子標的にからの散乱ミューオンおよび電子を同時に検出する。
• 正および負のミューオンおよび電子のビーム極性反転を用いて、1%未満のレベルで二光子交換効果を分離・測定する。
• 高エネルギー粒子を用いた高精度な角度キャリブレーションによりストロングチェンバーを回転させ、散乱角の不確実性を約0.2 mradまで低減する。
• Geant4シミュレーションと実験的キャリブレーションを組み合わせ、検出器および標的材料内の多次散乱効果を補正する。
• GEMチャネル、ビームホドスコープ、SiPMベースのシンチレーターを用いて、粒子の追跡とバックグラウンド除去を実施する。
• 多次散乱およびビーム運動量の決定に関するシミュレーションの正確性を検証するための専用キャリブレーションランを実施する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 μp原子で測定された陽子半径は、ep散乱から得られる半径と整合しているか。そうでない場合、その不一致の原因は何か？
• RQ2 二光子交換効果が観測された陽子半径の不一致に顕著に寄与しているか？
• RQ3 もしμpおよびep散乱断面積間に差が実際に存在する場合、その差を5σレベルで確認できるか？
• RQ4 過去の実験における系統的不確実性が半径測定にどの程度影響を与えているか。また、同時に測定することでこれを低減できるか？
• RQ5 多次散乱補正をどの程度正確に適用できるか。フォーム因子および半径抽出において1%未満の精度を達成できるか？

主な発見

• 実験は、絶対断面積に関して0.2%未満、μpとep断面積比に関しては0.1%未満の系統的不確実性で陽子半径抽出を実現することを設計している。
• ビーム角度の不確実性が±1 mradの場合、断面積の不確実性は1%に達するが、分光計のキャリブレーションによりこの値を0.2%未満に制限できると予想される。
• 多次散乱補正は、個々の断面積に関して約0.3%の不確実性を寄与すると推定され、断面積比に関しては約0.1%となる。シミュレーションによりさらに低減される見込みである。
• μpとep断面積比は、多くの系統的効果を相殺するため、二光子交換およびレプトンユニバーサリティに対する感度を高める。
• 高エネルギー粒子を用いた高精度キャリブレーションにより、分光計角度は約0.2 mradの精度で決定可能となり、安定した角度再構築が可能となる。
• 本実験は、過去の低運動量移動実験よりも1桁以上多くのデータポイントを収集するため、陽子半径パズルの統計的に信頼できる検証が可能となる。