[논문 리뷰] A New Approach for Measuring the Muon Anomalous Magnetic Moment and Electric Dipole Moment

Masayuki Abe, S. Bae외 94명|arXiv (Cornell University)|2019. 01. 10.

Particle physics theoretical and experimental studies인용 수 5

한 줄 요약

이 논문은 저발산도 재가속 열중성자 빔을 사용하여 J-PARC에서 뮤온 비정상 자기모멘트($a_\mu$)와 전기 dipole moment(EDM)를 측정하는 새로운 실험적 접근법을 제안한다. 300 MeV/$c$의 소형 저장 고리와 20배 작아진 솔레노이드 지름, 3차원 나선형 주입 방식을 통해 $a_\mu$의 통계적 불확실도는 450 ppb, $d_\mu$의 감도는 $1.5 \times 10^{-21}~{}e\cdot\text{cm}$에 도달하며, 각각의 시스템적 불확실도는 이전 실험 대비 7배와 4배 감소된다.

ABSTRACT

This paper introduces a new approach to measure the muon magnetic moment anomaly $a_μ = (g-2)/2$, and the muon electric dipole moment (EDM) $d_μ$ at the J-PARC muon facility. The goal of our experiment is to measure $a_μ$ and $d_μ$ using an independent method with a factor of 10 lower muon momentum, and a factor of 20 smaller diameter storage-ring solenoid compared with previous and ongoing muon $g-2$ experiments with unprecedented quality of the storage magnetic field. Additional significant differences from the present experimental method include a factor of 1,000 smaller transverse emittance of the muon beam (reaccelerated thermal muon beam), its efficient vertical injection into the solenoid, and tracking each decay positron from muon decay to obtain its momentum vector. The precision goal for $a_μ$ is statistical uncertainty of 450 part per billion (ppb), similar to the present experimental uncertainty, and a systematic uncertainty less than 70 ppb. The goal for EDM is a sensitivity of $1.5 imes 10^{-21}~e\cdot\mbox{cm}$.

연구 동기 및 목표

• BNL 실험과 표준모형 간의 뮤온 비정상 자기모멘트($a_\mu$)에 대한 3.5σ의 불일치를 해결하기 위해, 보다 향상된 시스템적 통제를 갖춘 독립적 측정을 제공한다.
• T-위반 상호작용에 민감한 $a_\mu$와 뮤온 전기 dipole moment($d_\mu$)의 정밀 측정을 통해 표준모형을 초월한 새로운 물리학을 탐색한다.
• 뮤온 EDM에 대해 $1.5 \times 10^{-21}~{}e\cdot\text{cm}$ 수준의 감도를 확보하여, BNL 한계 대비 두 개의 주요 차수 향상한다.
• 저운동량 뮤온과 소형 저장 고리를 사용한 $g-2$ 측정의 새로운 실험 철학을 개발하며, 이는 이전 실험의 마법의 운동량 접근과 근본적으로 다릅니다.

제안 방법

• 이전 실험 대비 1,000배 감소된 횡방향 발산도를 가진 재가속 열중성자 빔을 활용하여, 낮은 자기 집중도와 더 작은 저장 고리를 가능하게 한다.
• 펄스형 자기 킥을 이용한 3차원 나선형 주입 방식을 도입하여, 높은 수직 수용각을 확보하고 고리 내에 효율적으로 뮤온을 주입한다.
• 개별 뮤온 붕괴에서 발생하는 양전자 운동량 벡터를 재구성하기 위해 실리콘 스트립 센서로 구성된 트래킹 검출기를 사용한다. 이를 통해 정밀한 스핀 프리세션 측정이 가능하다.
• 매우 균일한 자기장 내에서 뮤온 스핀의 프리세션 주파수를 측정함으로써 뮤온 비정상 자기모멘트를 측정한다. 이는 붕괴된 양전자 수의 시간에 따른 상하 비대칭도를 이용한다.
• 수직 방향으로 진동하는 상하 비대칭도 $\mathcal{A}_{\text{UD}}(t)$의 변동을 분석하여 뮤온 EDM 신호를 추출한다. 이는 궤도 평면에 수직인 방향으로 EDM에 의해 유도된 스핀 프리세션에 의해 조절된다.
• 광주파수 콤 기반 정렬 모니터를 적용하여 마이크로라디안 이하의 해상도를 확보함으로써, 검출기 정렬 오차에 기인한 시스템적 불확실도를 최소화한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 저발산도, 저운동량 뮤온 빔은 BNL 실험 대비 더 낮은 시스템적 불확실도를 가진 $a_\mu$의 정밀 측정을 가능하게 하는가?
• RQ2 새로운 3차원 나선형 주입 방식은 이전 실험 대비 20배 작아진 지름을 가진 소형 솔레노이드에서 효율적이고 안정적인 뮤온 빔 저장을 달성할 수 있는가?
• RQ3 이 새로운 접근법을 통해 뮤온 EDM에 대해 도달 가능한 통계적 감도는 얼마이며, 현재 BNL 한계와 비교해 볼 때 어떤가?
• RQ4 특히 검출기 정렬 오차와 자기장 비균일성 등으로 인한 시스템적 불확실도는 얼마나 제어할 수 있으며, 이를 통해 발견 수준의 EDM 측정이 가능한가?
• RQ5 이 방법은 다른 시스템적 오차 프로파일을 가짐으로써 $3.5\sigma$의 불일치 문제를 해결할 수 있는가? 이를 통해 새로운 물리학에 대한 신뢰도를 높일 수 있는가?

주요 결과

• 실험은 뮤온 비정상 자기모멘트($a_\mu$)의 통계적 불확실도를 450 part per billion (ppb)로 목표로 하며, BNL 실험과 동일한 정밀도를 확보한다.
• 뮤온 전기 dipole moment(EDM)에 대한 감도는 $1.5 \times 10^{-21}~{}e\cdot\text{cm}$로 예측되며, 현재 BNL 한계 대비 두 개의 주요 차수 향상된다.
• $a_\mu$의 시스템적 불확실도는 약 70 ppb 미만으로 추정되며, 통계적 불확실도 대비 7배 작아져 강건성을 크게 향상시킨다.
• EDM 측정의 시스템적 불확실도는 $0.36 \times 10^{-21}~{}e\cdot\text{cm}$로 추정되며, 주로 검출기 정렬 오차에서 기인하고, 나머지 영향(예: 축 방향 전기장)은 $<10^{-24}~{}e\cdot\text{cm}$ 수준에서 무시할 수 있다.
• 광주파수 콩 기반 기술로 확보된 3.6 μrad의 정렬 해상도는 EDM 측정에서 시스템적 오차를 고도로 제어할 수 있음을 보장한다.
• 이 방법은 이전 실험과 다른 시스템적 오차 프로파일을 가진 통계적으로 제한된 $a_\mu$ 측정을 가능하게 하여, $3.5\sigma$ 불일치에 대한 중요한 독립적 검증을 제공한다.