[논문 리뷰] Muon g-2 Experiment at Fermilab

F. Gray|arXiv (Cornell University)|2015. 10. 01.

Particle physics theoretical and experimental studies참고 문헌 12인용 수 8

한 줄 요약

페르미랩 E989 뮤온 g-2 실험은 재사용된 초전도 저장 고리 자석과 업그레이드된 검출기를 사용하여 뮤온의 비정상 자기모멘트를 140 ppb의 정밀도로 측정함으로써 브룩헤븐 E821 결과와 표준모형 예측 간의 3σ 이격을 테스트한다. 만약 확인된다면 이는 표준모형을 초월한 물리학에 대한 강력한 증거가 될 것이다.

ABSTRACT

A new experiment at Fermilab will measure the anomalous magnetic moment of the muon with a precision of 140 parts per billion (ppb). This measurement is motivated by the results of the Brookhaven E821 experiment that were first released more than a decade ago, which reached a precision of 540 ppb. As the corresponding Standard Model predictions have been refined, the experimental and theoretical values have persistently differed by about 3 standard deviations. If the Brookhaven result is confirmed at Fermilab with this improved precision, it will constitute definitive evidence for physics beyond the Standard Model. The experiment observes the muon spin precession frequency in flight in a well-calibrated magnetic field; the improvement in precision will require both 20 times as many recorded muon decay events as in E821 and a reduction by a factor of 3 in the systematic uncertainties. This paper describes the current experimental status as well as the plans for the upgraded magnet, detector and storage ring systems that are being prepared for the start of beam data collection in 2017.

연구 동기 및 목표

• 뮤온의 비정상 자기모멘트에 대한 브룩헤븐 E821 측정치와 표준모형 예측 간 지속적인 3σ 이격을 해결하기 위해.
• 뮤온의 비정상 자기모멘트 측정에서 E821 실험 대비 3.8배 향상된 140 ppb의 정밀도를 확보하기 위해.
• 주로 향상된 자기장 측정, 개선된 NMR 캘리브레이션, 고도화된 비드라인 진단을 통해 E821 대비 체계적 오차를 3배 감소시키기 위해.
• 초기 물리학 — 예를 들어 초대칭 또는 어둠의 광자 — 이 뮤온 자기모멘트의 관측된 이격을 설명할 수 있는가를 테스트하기 위해.
• 페르미랩에서 재조립 및 업그레이드된 저장 고리 시스템을 사용하여 독립적이고 고정밀 측정을 수행하기 위해.

제안 방법

• 정밀하게 校정된 1.45 T 자기장에서 순환하는 극화된 뮤온의 스핀 프리세션 주파수를 측정하며, 관계식 ωₐ = aₘ(e/m)B를 사용한다.
• 고에너지 양전자에서의 진동 주파수를 전자기 칼로리메터로 검출함으로써 뮤온 붕괴에서 비정상 프리세션 주파수 ωₐ를 추출한다.
• 300개 이상의 고정 NMR 프로브를 사용하여 자기장을 모니터링하며, 진공 내 이동식 트롤리와 절대 기준을 통해 캘리브레이션하여 ωₚ의 불확도를 70 ppb 이내로 목표로 한다.
• 두 곳에 위치한 스트로우 튜브 트래킹 챔버 신호를 통해 뮤온 붕괴 위치와 비드라인 분포를 측정함으로써 자기장 평균화를 향상시키고 전기 dipole moment를 탐지한다.
• 주요 위치에 스컬린스이팅 섬유를 사용한 비드라인 프로파일 모니터를 설치하여 주입 최적화와 비드라인 안정성 모니터링을 수행한다.
• 개선된 셰임핑과 안정성을 확보한 E821 저장 고리 자석을 재사용하여 1.45 T 및 5100 A에서 작동하며, 정격 전류보다 높은 안전 여유를 확보한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 페르미랩에서 개선된 정밀도로 브룩헤븐 E821 측정치와 표준모형 예측 간의 뮤온의 비정상 자기모멘트에 대한 3σ 이격을 확인할 수 있는가?
• RQ2 강한 상호작용의 진공 극화와 빛-빛 산란이 aₘ의 이론적 불확도에 기여하는 정도는 얼마이며, 이를 어떻게 줄일 수 있는가?
• RQ3 페르미랩 실험에서 체계적 오차, 특히 자기장 측정과 비드라인 안정성 측면에서 E821 수준 이하로 얼마나 낮출 수 있는가?
• RQ4 실험은 붕괴 스펙트럼에서 양전자 운동량의 조절을 통해 뮤온 전기 dipole moment를 탐지할 수 있는가?
• RQ5 페르미랩에서의 개선된 정밀도가 초대칭 또는 어둠의 광자와 같은 표준모형을 초월한 새로운 물리학의 존재를 확인하는 데 기여하는가?

주요 결과

• 재조립된 E821 저장 고리 자석이 5300 A로 성공적으로 전원을 켤 수 있었으며, 정격 5100 A 작동 전류를 초과하여 셰임핑 준비 상태임을 확인했다.
• 최초 전원 켜기 이후의 자기장 측정 결과, 방위각 자기장 변동이 최종 E821 자기장도보다 한 수준 뿐 아니라 작았으며, 뛰어난 자기장 품질을 나타냈다.
• 수소 NMR 주파수 ωₚ의 목표 불확도는 70 ppb로 설정되었으며, E821 대비 3배 향상된 것으로, 자주 반복되는 트롤리 캘리브레이션과 개선된 프로브 안정성 덕분이었다.
• 실험은 2017년 3월에 비드라인 시운전을 시작할 예정이며, 여름 휴식 후 2017년 9월부터 생산 데이터 수집을 시작할 예정이다.
• 첫 번째 결과는 2018년 CIPANP 회의에 맞춰 공개될 예정이며, 브룩헤븐에서 관측된 3σ 이격을 확인하거나 반증하는 데 목적이 있다.
• 실험은 E821보다 20배 더 많은 뮤온 붕괴 사건을 수집하여 통계적 정밀도를 크게 향상시킬 것이다.