[論文レビュー] The muon $g$-$2$ experiment at Fermilab

W. Gohn|arXiv (Cornell University)|Nov 15, 2016

Particle physics theoretical and experimental studies参考文献 16被引用数 8

ひとこと要約

フェルミラブのミューオン g-2 実験は、以前のブルークヘブン E821 実験に比べ4倍の精度でミューオンの異常磁気モーメントを測定し、140 ppbの不確かさを実現する。21倍の大きなデータセットと強化された系統的不確かさの制御により、既存の3.5σの不一致が続く場合、7.5σの不一致を示し、標準模型を超える新しい物理学を示唆する可能性がある。

ABSTRACT

A new measurement of the anomalous magnetic moment of the muon, $a_μ \equiv (g-2)/2$, will be performed at the Fermi National Accelerator Laboratory with data taking beginning in 2017. The most recent measurement, performed at Brookhaven National Laboratory and completed in 2001, shows a 3.5 standard deviation discrepancy with the standard model prediction of $a_μ$. The new measurement will accumulate 21 times those statistics using upgraded detection and storage ring systems, enabling a measurement of $a_μ$ to 140 ppb, a factor of 4 improvement in the uncertainty the previous measurement. This improvement in precision, combined with recent and ongoing improvements in the evaluation of the QCD contributions to the $a_μ$, could provide a 7.5$σ$ discrepancy from the standard model if the current difference between experiment and theory is confirmed, a possible indication of new physics.

研究の動機と目的

• ブルークヘブン国立研究所で実施された以前の E821 実験に比べ、ミューオンの異常磁気モーメント $a_\mu$ を4倍の高い精度で測定すること。
• 測定された $a_\mu$ と標準模型の予測との間の3.5σの不一致を確認し、これが新しい物理学を示唆する可能性があるかをテストすること。
• $\omega_a$ と $\omega_p$ の系統的不確かさをそれぞれ70 ppb以下に低減し、標準模型の決定的テストを可能にすること。
• 格子 QCD と実験的ハドロン断面積データを用いて、$a_\mu^{QCD}$ の理論的不確かさを改善すること。
• ミューオンの電気双極子モーメントを高精度で測定し、以前の限界に比べ2桁の感度向上を達成すること。

提案手法

• 偏極したミューオンを、正確に制御された1.45 Tの磁場を持つ超伝導ストレージリングに注入し、ローレンツ力による進化を最小限に抑えるために「マジックモーメント」に調整する。
• 24個のセグメント化されたカリメータ（PbF₂ シェレニコフ結晶とシリコンフォトマルチプライヤーを備える）を用いて、陽電子崩壊の角度分布を測定し、ミューオンスピンの進化周波数 $\omega_a$ を測定する。
• 磁場 $B$ はNMRプローブで測定され、$\omega_a / \omega_p$ の比を用いて、公式 $a_\mu = \frac{\omega_a / \omega_p}{\mu_\mu / \mu_p - \omega_a / \omega_p}$ により $a_\mu$ を抽出する。
• 磁場の一様性は鉄シミング、表面補正コイル、および6,000回の磁場測定を1ランに実施するトロリー搭載NMRプローブシステムにより達成され、35 ppbのキャリブレーション精度を有する。
• カリブレーション用レーザー、改良されたトラッカーおよびコリメータ設計、外部磁場の変動に対するフィードバック制御を用いて、系統的不確かさを低減する。
• データ取得には800 MHzのサンプリングレートを持つGPUベースの波形デジタイザを用い、リアルタイムでの積み重なり除去と高精度な信号再構成を実現する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 3.5σの不一致が、E821の中心値が確認されれば、4倍の高い精度で確認可能か？
• RQ2 ダークフォトンや超対称性などの新しい物理学の寄与が、ミューオンの異常磁気モーメントに与える影響は何か？
• RQ3 格子 QCD 計算は、ハドロン真空極化およびライト・バイ・ライト散乱寄与の理論的不確かさをどの程度低減できるか？
• RQ4 $\omega_a$ と $\omega_p$ の系統的不確かさを70 ppb未満に低減できるか？ これにより、標準模型の決定的テストが可能になるか？
• RQ5 この実験のミューオン電気双極子モーメントに対する感度は何か？ また、以前の限界に比べ2桁の感度向上が達成可能か？

主な発見

• 磁場の一様性は方位方向の変動を50 ppmにまで低減し、系統的誤差の予算を満たした。
• フェルミラブのミューオン g-2 実験は、$a_\mu$ の実験的不確かさを140 ppbまで低減することが予想され、以前の E821 測定に比べ4倍の精度向上が達成される。
• 理論的不確かさは $a_\mu$ で310 ppbまで改善されると予想され、これは格子 QCD と新しいハドロン断面積データによるものである。
• E821 の中央値が確認されれば、$a_\mu$ の不一致の有意水準が7.5σ以上にまで上昇するよう設計されている。
• ミューオン電気双極子モーメントの感度は2桁向上し、約10^{-21} e·cmの精度に達する見込みである。
• NMR トロリー・システムは35 ppbのキャリブレーション精度でシミングを完了し、2017年のデータ取得に先立って検出器のコンmissioningが開始された。