[논문 리뷰] Geometric Muon g-2 in the Aether Physics Model (APM): Torsion Closure and a Casimir Sidereal-Drift Test

Thomson, David, Bourassa, James Donald|ArXiv.org|2025. 06. 03.

Particle physics theoretical and experimental studies인용 수 8

한 줄 요약

이 논문은 FNAL의 Run-4~6 데이터로 양성 뮤온의 비이상 자기모멘트 a_mu의 고정밀 측정을 보고하며, 자기장 및 스핀-프리cession 분석에서의 보정과 체계오차를 자세히 서술한다.

ABSTRACT

A new measurement of the magnetic anomaly $a_μ$ of the positive muon is presented based on data taken from 2020 to 2023 by the Muon $g-2$ Experiment at Fermi National Accelerator Laboratory (FNAL). This dataset contains over 2.5 times the total statistics of our previous results. From the ratio of the precession frequencies for muons and protons in our storage ring magnetic field, together with precisely known ratios of fundamental constants, we determine $a_μ = 116\,592\,0710(162) imes 10^{-12}$ (139 ppb) for the new datasets, and $a_μ = 116\,592\,0705(148) imes 10^{-12}$ (127 ppb) when combined with our previous results. The new experimental world average, dominated by the measurements at FNAL, is $a_μ( ext{exp}) =116\,592\,0715(145) imes 10^{-12}$ (124 ppb). The measurements at FNAL have improved the precision on the world average by over a factor of four.

연구 동기 및 목표

• 표준 모형의 정밀 테스트를 수행하고 뮤온의 자기모멘트를 통해 표준 모형을 넘어서는 물리(MyBeyond Standard Model)에 대한 민감도를 탐구한다.
• FNAL 뮤온 g-2 저장링 기법을 사용해 양성 뮤온의 a_mu를 significantly increased statistics로 측정한다.
• 실험적·환경적 체계적 효과를 정량화하고 보정하여 이론에 대한 엄격한 벤치마크에 도달한다.
• FNAL 결과가 주도하는 새로운 실험적 세계 평균 a_mu를 제시하고 표준 모델 예측과 비교한다.

제안 방법

• 7.112 m 반경 뮤온 저장링을 1.45 T 자기장 하에서 사용해 뮤온 스핀 프리cession 주파수 ω_a를 측정한다.
• muon-weighted magnetic-field averaging 및 알려진 기본상수를 사용해 비율 R_mu' = ω_a / ω_p'(T_r)로 a_mu를 결정한다.
• C_e, C_p, C_pa, C_dd, C_ml 보정과 자기장 맵/보정항(B_k, B_q)으로 ω_a 및 필드를 보정한다.
• 네 가지 데이터 세트(noRF, xRF, xyRF5, xyRF6)에서 다중 독립적 양전자 재구성 및 분석 방법과 블라인드 분석을 사용해 견고성을 확보한다.

Figure 1: Fourier transform of the residuals from the sum of the four fits to the Run-4/5/6 data excluding (blue) and including (purple) the $\xi(i)$ terms that incorporate the beam oscillation effects. The peaks correspond to the betatron frequencies (see [ 16 ] for frequency definitions). The RF-d

실험 결과

연구 질문

• RQ1 Run-4/5/6 데이터에서 양성 뮤온의 비대칭 자기모멘트 a_mu의 정확한 값은 무엇인가?
• RQ2 다양한 검출기, 빔, 및 필드 시스템보정이 추출된 a_mu에 어떤 영향을 주는가?
• RQ3 새로운 측정이 이전 FNAL 및 SM 예측과 어떻게 비교되며 실험적 세계 평균에 어떤 영향을 주는가?
• RQ4 업그레이드된 RF 및 ESQ 시스템과 개선된 필드 매핑으로 달성 가능한 최소 총 불확실성은 무엇인가?

주요 결과

수량	수정값(ppb)	불확실성(ppb)
ω_a^m (statistical)	114
ω_a^m (systematic)	30
C_e	347	27
C_p	175	9
C_pa	-33	15
C_dd	26	27
C_ml	0	2
⟨ω′_p × M⟩ (mapping, tracking)		34
⟨ω′_p × M⟩ (calibration)		34
B_k	-37	22
B_q	-21	20
μ′_p/μ_B		4
m_μ/m_e		22
Total systematic for R′_μ		76
Total for a_μ		139

• a_mu = 1165920710(162) × 10^−12 for the Run-4/5/6 dataset (139 ppb) and a_mu = 1165920705(148) × 10^−12 when combined with previous results (127 ppb).
• The new experimental world average is a_mu(exp) = 1165920715(145) × 10^−12 (124 ppb).
• Statistical uncertainty dominates the Run-4/5/6 a_mu uncertainty with 114 ppb statistical error.
• Systematic corrections to omega_a and the muon-weighted field are quantified, including C_e, C_p, C_pa, C_dd, C_ml, and field-related terms B_k and B_q.
• The experiment reports improved field-mapping statistics with 194 maps for Run-4/5/6, reducing map-related uncertainties.
• Multiple independent analyses yield consistent omega_a values, reinforcing robustness of the measurement.

Figure 2: Azimuthally averaged magnetic field contours in units of $\text{\,}\mathrm{p}\mathrm{p}\mathrm{m}$ overlaid in white on the time- and azimuthally averaged muon distribution for the xyRF5 dataset.