[論文レビュー] The New Muon g-2 experiment at Fermilab

G. Venanzoni|arXiv (Cornell University)|Nov 10, 2014

Particle physics theoretical and experimental studies参考文献 1被引用数 8

ひとこと要約

フェルミラブE989実験は、0.14 ppmの精度でミューオンの異常磁気モーメントを測定することを目的としており、BNL E821実験に比べて4倍の精度向上を達成する。BNLの貯蔵リングを再利用し、高度な検出器、改善されたビーム制御、および低減された系統的不確実性を用いることで、標準模型の予測と従来の測定値との間にある3σの不一致を確認または解消し、標準模型を超える新しい物理を明らかにすることを目的としている。

ABSTRACT

There is a long standing discrepancy between the Standard Model prediction for the muon g-2 and the value measured by the Brookhaven E821 Experiment. At present the discrepancy stands at about three standard deviations, with a comparable accuracy between experiment and theory. Two new proposals -- at Fermilab and J-PARC -- plan to improve the experimental uncertainty by a factor of 4, and it is expected that there will be a significant reduction in the uncertainty of the Standard Model prediction. I will review the status of the planned experiment at Fermilab, E989, which will analyse 21 times more muons than the BNL experiment and discuss how the systematic uncertainty will be reduced by a factor of 3 such that a precision of 0.14 ppm can be achieved.

研究の動機と目的

• 測定されたミューオンg-2と標準模型の予測との間にある長年の3σの不一致を解消すること。
• BNL E821実験に比べて実験的精度を4倍に向上させること。
• ビーム制御と検出器設計の向上により、系統的不確実性を3倍に低減すること。
• 高精度なミューオンの異常磁気モーメントの測定を通じて、標準模型を超える新しい物理を探索すること。
• 同時にミューオンの電気双極子モーメントを測定し、CPTまたはローレンツ対称性の破れを検出すること。

提案手法

• フェルミラブのMC-1建物に再設置されたBNL E821貯蔵リング磁石を再利用し、安定で温度制御された環境に設置する。
• 高強度のプロトンビームを用いてパイオニオンを生成し、それらがミューオンに崩壊するようにし、超伝導インフレクタ磁石を用いてミューオンを貯蔵リングに注入する。
• ケイストンのフルオライド（PbF2）結晶電磁カロリメータとシリコンフォトマルチプライヤ（SiPM）読み出しを用いて、エネルギーと時間の高精度測定を実現する。
• 真空中に設置されたストロングドリフトチューブを用いてミューオンの軌道を追跡し、同時にミューオンの電気双極子モーメントの測定を支援する。
• イベントモードおよび統合モード解析が可能な、最新の波形デジタイザベースのデータ取得システムを採用する。
• 磁場の均一性を向上させるための改良された磁場補正（シュミング）および磁場測定システムを導入し、磁場の系統的不確実性を50％低減する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 測定されたミューオンg-2と標準模型の予測との間の3σの不一致が、精度向上により確認されるか。
• RQ2 検出器のセグメンテーション、ビームライン最適化、磁場均一性の向上によって、ミューオンg-2測定における系統的不確実性をどの程度低減できるか。
• RQ3 改良されたハドロン的真空極化およびライト・バイ・ライト散乱の計算が、aμの理論的予測に与える影響は何か。
• RQ4 同じデータからミューオンの電気双極子モーメントに関する新たな上限を取得できるか。
• RQ5 高精度なg-2測定から、ミューオンスピンの進化にCPTまたはローレンツ対称性の破れの兆候が見られるか。

主な発見

• フェルミラブのE989実験は、ミューオンg-2測定において0.14 ppmの精度に達すると予想され、BNL E821実験の0.54 ppmに比べて4倍の精度向上が達成される。
• 実験はBNL E821実験よりも21倍多くのミューオンを分析する予定であり、統計的不確実性が顕著に低減される。
• ピオンの不純物低減、セグメント化された検出器、および改良されたキッカー性能により、進化周波数測定における系統的不確実性が3倍に低減される見込みである。
• 磁場補正の改善により磁場の均一性が向上し、磁場の系統的誤差が50％低減される。
• 2017年初頭に最初の物理データ取得が予想され、2015年春までに最初の重要なマイルストーンである超伝導コイルの冷却と貯蔵リングの駆動が達成された。
• 実験は同時にミューオンの電気双極子モーメントに関する新たな上限を提供し、ミューオンスピンの進化におけるCPTまたはローレンツ対称性の破れのより厳密な検証を実現する。