[논문 리뷰] Technical Design Report for the Paul Scherrer Institute Experiment R-12-01.1: Studying the Proton "Radius" Puzzle with μp Elastic Scattering

R. Gilman, E. J. Downie외 57명|arXiv (Cornell University)|2017. 09. 27.

Particle Accelerators and Free-Electron Lasers인용 수 28

한 줄 요약

MUSE 실험은 프랑스 스위스 연구소(Paul Scherrer Institute)에서 수행되며, 높은 정밀도로 뮤온-핵(μp)과 전자-핵(ep) 탄성 산란을 동시에 측정하여 양성자 반지름 퍼즐을 해결하고자 한다. 편광된 뮤온 및 전자 비틀기를 사용하는 双빔 스펙트로미터를 통해 동일한 장비에서 단일 측정을 통해 단면적, 형상 인자, 반지름을 비교함으로써 체계적 오차를 감소시키며, 1퍼센트 미만 수준에서 렙톤 보편성과 이중광자 교환 효과를 검증할 수 있는 5σ 민감도를 확보한다.

ABSTRACT

The difference in proton radii measured with $μp$ atoms and with $ep$ atoms and scattering remains an unexplained puzzle. The PSI MUSE proposal is to measure $μp$ and $e p$ scattering in the same experiment at the same time. The experiment will determine cross sections, two-photon effects, form factors, and radii independently for the two reactions, and will allow $μp$ and $ep$ results to be compared with reduced systematic uncertainties. These data should provide the best test of lepton universality in a scattering experiment to date, about an order of magnitude improvement over previous tests. Measuring scattering with both particle polarities will allow a test of two-photon exchange at the sub-percent level, about a factor of four improvement on uncertainties and over an order of magnitude more data points than previous low momentum transfer determinations, and similar to the current generation of higher momentum transfer electron experiments. The experiment has the potential to demonstrate whether the $μp$ and $ep$ interactions are consistent or different, and whether any difference results from novel physics or two-photon exchange. The uncertainties are such that if the discrepancy is real it should be confirmed with $\approx$5$σ$ significance, similar to that already established between the regular and muonic hydrogen Lamb shift.

연구 동기 및 목표

• 동일한 실험에서의 μp 및 ep 산란 데이터를 직접 비교함으로써 양성자 반지름 퍼즐을 해결한다.
• 최소한의 체계적 편향으로 뮤온과 전자에 대한 단면적과 형상 인자를 측정하여 양성자 전자기 이론에서의 렙톤 보편성을 검증한다.
• 양성자 반지름 측정의 격리 원인이 이중광자 교환 효과인지 또는 표준모형을 초월한 새로운 물리학인지 조사한다.
• 실제로 μp와 ep 결과 간의 격리가 존재할 경우, 이를 5σ의 신뢰 수준에서 감지할 수 있도록 한다.
• 동시 측정, 비틀기 극성 전환, 스펙트로미터 각도 및 다중 산란 보정의 고정밀 校정을 통해 체계적 오차를 최소화한다.

제안 방법

• 프랑스 스위스 연구소의 이중비틀기 스펙트로미터를 사용하여 양성자 타겟으로부터 산란된 뮤온과 전자를 동시에 탐지한다.
• 양성자 반지름 격리의 기여 요소를 분리하고 측정하기 위해 비틀기 극성 전환(양성 및 음성 뮤온 및 전자)을 시행하여 이중광자 교환 효과를 1퍼센트 이하 수준에서 정량화한다.
• 고에너지 입자를 사용한 고정밀 각도 校정을 통해 스트로우 챔버를 회전시켜 산란 각도 오차를 약 0.2 mrad 이내로 감소시킨다.
• Geant4 시뮬레이션과 실험적 校정을 통합하여 탐지기 및 타겟 물질 내 다중 산란 효과를 보정한다.
• 입자 추적 및 배경 제거를 위해 GEM 챔버, 비틀기 하도스코프, SiPM 기반의 심층 섬광 탐지기들을 활용한다.
• 다중 산란 및 비틀기 운동량 결정의 시뮬레이션 정확도를 검증하기 위해 전용 校정 런을 수행한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 μp 원자에서 측정된 양성자 반지름은 ep 산란 결과와 일치하는가? 그렇지 않다면 그 격리의 원인은 무엇인가?
• RQ2 이중광자 교환이 관측된 양성자 반지름 격리에 상당한 기여를 하는가?
• RQ3 실제로 μp와 ep 산란 단면적 간의 격리가 존재할 경우, 실험은 이를 5σ 수준에서 확인할 수 있는가?
• RQ4 이전 실험의 체계적 오차가 반지름 측정에 어느 정도 영향을 미치며, 동시에 측정을 통해 이를 줄일 수 있는가?
• RQ5 다중 산란 보정을 얼마나 정밀하게 적용할 수 있을지, 형상 인자 및 반지름 추출에서 1퍼센트 이하 정밀도를 달성할 수 있는가?

주요 결과

• 실험은 절대 단면적에 대해 0.2% 이하, μp 대 ep 단면적 비율에 대해 0.1% 이하로 양성자 반지름 추출의 체계적 오차를 감소시키도록 설계되어 있다.
• 비틀기 각도 오차가 ±1 mrad일 경우 단면적에 대해 1% 오차가 발생할 수 있으나, 스펙트로미터 校정을 통해 이 오차를 0.2% 이내로 제한할 것으로 기대된다.
• 다중 산란 보정은 개별 단면적에 대해 약 0.3%의 오차 기여를 예상하며, 비율에 대해서는 약 0.1%로 추정되며, 시뮬레이션을 통해 이를 추가로 감소시킬 수 있을 것으로 예상된다.
• μp 대 ep 단면적 비율은 많은 체계적 효과를 상쇄시켜 이중광자 교환 및 렙톤 보편성에 대한 감도를 향상시킨다.
• 고에너지 입자를 이용한 고정밀 校정을 통해 스펙트로미터 각도를 약 0.2 mrad 수준으로 정밀하게 결정할 수 있으며, 이는 안정적인 각도 재구성 보장을 가능하게 한다.
• 이 실험은 이전의 저운동량 전달 실험보다 수십 배 이상 많은 데이터 포인트를 수집할 것으로 예상되어, 양성자 반지름 퍼즐에 대한 통계적으로 신뢰할 수 있는 검증이 가능해진다.