[論文レビュー] The Status and Prospects of the Muon $g-2$ Experiment at Fermilab

A. T. Fienberg|arXiv (Cornell University)|May 13, 2019

Particle physics theoretical and experimental studies被引用数 7

ひとこと要約

フェルミラブのミューオン $g-2$ 実験は、140 ppb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、ブルークヘン E821 の結果よりも4倍高い精度です。これは、実験と標準模型理論の予測との間に存在する3.7σの乖離を検証するものです。ストアドミューオンを磁気ストレージリングに閉じ込め、精度の高いNMRによる磁場モニタリングを用いて、陽電子エネルギー分布を測定することで異常ラーモア進化周波数を測定します。Run 1データの初期解析では、6つの独立した研究チームが強く一致する結果を示し、分析フレームワークの妥当性が裏付けられました。

ABSTRACT

The E989 Muon $g-2$ Experiment at Fermilab aims to measure the muon magnetic anomaly, $a_μ$, to an unprecedented precision of 140 parts per billion (ppb), representing a four-fold improvement over the current best measurement, achieved at Brookhaven National Lab. There stands a greater than 3 standard deviations discrepancy between the Brookhaven measurement of $a_μ$ and the theoretical value predicted using the Standard Model. The Fermilab experiment seeks to either resolve or confirm this discrepancy, which is suggestive of new physics interactions. To achieve the E989 target precision, the anomalous precession frequency of muons in a magnetic storage ring must be determined with a systematic uncertainty below 70\,ppb, and the average magnetic field experienced by these stored muons must be known equally well. The muon anomalous precession frequency is imprinted on the time-dependent energy distribution of decay positrons observed by 24 electromagnetic calorimeters. A suite of pulsed NMR probes continually monitors the magnetic field. This document presents the current status of the Fermilab experiment while emphasizing the ongoing analysis of the 2018 Run 1 dataset and the systematic effects that complicate it.

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140 ppbの精度で測定し、ブルークヘン E821 測定結果よりも4倍の精度を達成すること。
• ブルークヘンの測定結果と標準模型理論の予測との間に存在する3.7σの乖離を解消または確認することにより、新しい物理の兆候を突き止める。
• 異常ラーモア進化周波数および磁場測定における系統的不確実性をそれぞれ70 ppb未満に低減すること。
• 盲検データと独立した再構築パイプラインを用いた複数チームによる分析フレームワークの妥当性を検証すること。

提案手法

• 24台の電磁カロリメータを用いて、崩壊したミューオンから発生する陽電子の時間依存的エネルギー分布を観測することで、異常ラーモア進化周波数 $\omega_a$ を測定する。
• 固定型、トロリー搭載型、絶対校正用のパulsed NMRプローブのセットを用いて、磁場を1 ppb未満の安定性でモニタリングする。
• 全チームが秘密の基準周波数に対して $\omega_a$ をフィットする盲検分析プロトコルを適用し、バイアスを回避する。
• エネルギーしきい値依存のパrameterを含む減衰振動関数 $f(t) = Ne^{-t/\tau}[1 + A\cos(\omega_a t - \phi)]$ を用いて、陽電子検出率をモデル化する。
• ミューオンビームのコherent振動やビーム損失などのビームダイナミクス効果、および積み重なり（ピルアップ）や時間依存的ゲイン変化などの検出器効果を補正する。
• カロリメータの時間依存的ゲイン変動を測定・除去するために、イン・サイトレーザー校正を用いる。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 異常ラーモア進化周波数 $\omega_a$ が十分な精度で測定可能であり、$a_{\mu}$ の総不確実性が140 ppbにまで低減できるか？
• RQ2 ビーム振動、ピルアップ、ゲインドリフトなどの系統的効果が、70 ppb未満の系統的不確実性の目標を超えるバイアスを引き起こすか？
• RQ3 異なるデータ再構築および補正手順を用いた独立したチーム間で、分析フレームワークが堅牢かつ一貫性を持っているか？
• RQ4 初期の60時間データセット解析が、測定チェーンの一貫性を確認し、全Run 1解析の実施を可能にするか？
• RQ5 この実験が、ブルークヘン測定結果と標準模型理論予測との間の3.7σの乖離を解消できるか？

主な発見

• 6つの独立した分析チームが60時間データセットからの $\omega_a$ 測定で優れた一致を示し、分析フレームワークの堅牢性が裏付けられた。
• チーム間で系統的不確実性の推定が一貫しており、分析パイプラインが信頼性があり内部的に一貫していることが確認された。
• 統計的不確実性を最小化する最適なエネルギーしきい値は1.7 GeVであることが判明した。
• ミューオンビームのコherent振動のようなビームダイナミクス効果は強く、フィット関数に明示的にモデル化する必要があった。
• ピルアップおよび時間依存的ゲイン変動は、イン・サイトレーザー校正とチームごとの再構築補正により補正され、顕著なバイアスは検出されなかった。
• 盲検分析プロトコルは正常に実行され、2019年2月の相対的アンブレインディングによりチーム間の一貫性が確認され、全Run 1解析の実施に向けた道筋が開かれた。