[論文レビュー] The MOLLER Experiment: An Ultra-Precise Measurement of the Weak Mixing Angle Using Møller Scattering

MOLLER Collaboration, J. Benesch+123 more|arXiv (Cornell University)|Nov 15, 2014

Particle physics theoretical and experimental studies被引用数 48

ひとこと要約

MOLLER実験は、ジェファーソンラボの11 GeVにアップグレードされた電子ビームを用い、電子-電子散乱（Møller散乱）におけるパリティ破れ対称性の不均衡を、0.7 ppbの精度で超高精度に測定することを提案している。これにより、弱い混合角を2.4%の分数不確かさで決定し、7.5 TeVまでのスケールで新しい物理学を探索する。これは、これまでで最も感受性の高い、レプトン系におけるフレーバーおよびCP保存型中性荷電現在相互作用のテストとなる。

ABSTRACT

The physics case and an experimental overview of the MOLLER (Measurement Of a Lepton Lepton Electroweak Reaction) experiment at the 12 GeV upgraded Jefferson Lab are presented. A highlight of the Fundamental Symmetries subfield of the 2007 NSAC Long Range Plan was the SLAC E158 measurement of the parity-violating asymmetry $A_{PV}$ in polarized electron-electron (Møller) scattering. The proposed MOLLER experiment will improve on this result by a factor of five, yielding the most precise measurement of the weak mixing angle at low or high energy anticipated over the next decade. This new result would be sensitive to the interference of the electromagnetic amplitude with new neutral current amplitudes as weak as $\sim 10^{-3}\cdot G_F$ from as yet undiscovered dynamics beyond the Standard Model. The resulting discovery reach is unmatched by any proposed experiment measuring a flavor- and CP-conserving process over the next decade, and yields a unique window to new physics at MeV and multi-TeV scales, complementary to direct searches at high energy colliders such as the Large Hadron Collider (LHC). The experiment takes advantage of the unique opportunity provided by the upgraded electron beam energy, luminosity, and stability at Jefferson Laboratory and the extensive experience accumulated in the community after a round of recent successfully completed parity-violating electron scattering experiments

研究の動機と目的

• Møller散乱におけるパリティ破れ非対称性 $A_{PV}$ を2.4%の分数精度で測定し、E158の結果を5倍改善する。
• 有効な4フェルミオン相互作用を通じて、$1.5 \times 10^{-3} G_F$ に達するような微小な振幅に感度を持つことで、新しい物理学を探索する。これは、スケール $\Lambda/g = 7.5$ TeV に対応する。
• 世界平均の $\sin^2\theta_W$ における3$\sigma$の不一致を、$\pm 0.00028$ の精度で $\sin^2\theta_W$ を測定することで解消する。
• LHC探索とは異なり、フレーバーおよびCP保存型の新しい物理学（例えば、軽いダークマター媒介粒子や二重に電荷を帯びたスカラー粒子）を検出する、唯一無二の補足的プローブを提供する。

提案手法

• アップグレードされたジェファーソンラボ12 GeV施設の11 GeV偏光電子ビームを用い、ホールAでMøller散乱を実施する。
• トロイダルスペクトロメータを用い、散乱電子を28.5 m下流のセグメント化された焦点面に、径方向および方位方向に分解能をもって集光する。
• 高動態範囲および低ノイズを実現するため、統合型（電流モード）の石英検出器を、フォトマルチプライイヤーとエアコアライトガイドを組み合わせて用いる。
• 6つのリング（R1–R6）への径方向セグメンテーションを実施し、主なMøller信号を捉えるために細分化された84セグメントのリングR5を設け、他のリングはバックグラウンド測定に使用する。
• 前方検出器を用いてビームおよび標的に起因する変動をモニタリングし、鉛ガラス/GEM検出器を用いてハドロン的バックグラウンドの希釈度および非対称性を測定する。
• 統合検出器の上流に低電流GEMトラッキング検出器を設置し、キャリブレーション走査を実施して、電子の軌道および運動量分布を再構成する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 低エネルギー領域で実現可能な、電子-電子散乱におけるパリティ破れ非対称性 $A_{PV}$ の最も正確な測定値は何か？
• RQ2 MOLLER実験は、標準模型を超える中性荷電現在相互作用に対して、どの程度感度を持つのか？特に $\Lambda/g \sim 7.5$ TeV のスケールに感度を持つか？
• RQ3 MOLLER実験は、$\sin^2\theta_W$ の世界平均における3$\sigma$の不一致を、$\pm 0.00028$ の精度で測定することで解消できるか？
• RQ4 MOLLER実験は、軽いダークマター媒介粒子や二重に電荷を帯びたスカラー粒子のような、フレーバーおよびCP保存型の新しい物理学をどの程度の発見可能性で探ることができるか？
• RQ5 MOLLER測定は、将来の線形衝突型加速器やニュートリノファクトリー実験と比較して、レプトン系中性荷電現在を探査する上で、どの程度の感受性を持つのか？

主な発見

• MOLLER実験は、0.7 ppbの精度でパリティ破れ非対称性 $A_{PV}$ を測定することを目的としており、これは電子の弱い電荷における2.4%の分数不確かさに対応する。
• MOLLER設定における $A_{PV}$ の理論的予測値は約33 ppbであり、126 GeVの標準模型ヒッグス粒子を仮定した場合、理論的不確かさは0.2 ppb未満である。
• 実験は、有効カップリングが $1.5 \times 10^{-3} G_F$ に達するような新しい物理学に感度を持つ。これは、スケール $\Lambda/g = 7.5$ TeV に対応する。
• 焦点面の径方向セグメンテーションにより、リングR5でMøller信号を同時に測定し、隣接するリングで不可避な $ep$ 弹性および非弾性バックグラウンド非対称性も測定可能である。
• 石英ベースの統合型検出器のプロトタイプテストでは、すでに1イベントあたり25個以上の光電子を達成し、4%未満の過剰ノイズを示しており、MOLLERの仕様を上回っている。
• MOLLER実験は、他の計画中の施設が及ばない、完全にレプトン系に限定され、フレーバーおよびCP保存型の中性荷電現在相互作用に対する、最も感受性の高い低エネルギー探査である。