[논문 리뷰] The MOLLER Experiment: An Ultra-Precise Measurement of the Weak Mixing Angle Using Møller Scattering

MOLLER Collaboration, J. Benesch외 123명|arXiv (Cornell University)|2014. 11. 15.

Particle physics theoretical and experimental studies인용 수 48

한 줄 요약

MOLLER 실험은 조지프슨 랩의 11 GeV로 업그레이드된 전자 비임을 사용하여 전자-전자 산산각산산(전자-전자 산산각산)에서의 편평성 위반 대칭성 비율을 초정밀도로 측정하려 한다. 이 실험은 대칭성의 정밀도를 0.7 ppb로 확보하여 약한 혼합 각도를 2.4%의 분수 불확도로 측정함으로써, 7.5 TeV 이하의 스케일에서 새로운 물리 현상을 탐색할 수 있으며, 현재까지 가장 민감한 측정을 통해 렙톤 부문에서의 맛 및 CP 보존 중성 전류 상호작용을 검증한다.

ABSTRACT

The physics case and an experimental overview of the MOLLER (Measurement Of a Lepton Lepton Electroweak Reaction) experiment at the 12 GeV upgraded Jefferson Lab are presented. A highlight of the Fundamental Symmetries subfield of the 2007 NSAC Long Range Plan was the SLAC E158 measurement of the parity-violating asymmetry $A_{PV}$ in polarized electron-electron (Møller) scattering. The proposed MOLLER experiment will improve on this result by a factor of five, yielding the most precise measurement of the weak mixing angle at low or high energy anticipated over the next decade. This new result would be sensitive to the interference of the electromagnetic amplitude with new neutral current amplitudes as weak as $\sim 10^{-3}\cdot G_F$ from as yet undiscovered dynamics beyond the Standard Model. The resulting discovery reach is unmatched by any proposed experiment measuring a flavor- and CP-conserving process over the next decade, and yields a unique window to new physics at MeV and multi-TeV scales, complementary to direct searches at high energy colliders such as the Large Hadron Collider (LHC). The experiment takes advantage of the unique opportunity provided by the upgraded electron beam energy, luminosity, and stability at Jefferson Laboratory and the extensive experience accumulated in the community after a round of recent successfully completed parity-violating electron scattering experiments

연구 동기 및 목표

• MOLLER 산산각산에서의 편평성 위반 대칭성 비율 $A_{PV}$ 를 2.4%의 분수 정밀도로 측정하여, E158 결과보다 다섯 배 향상된 성능을 확보한다.
• 효율적인 4 Fermi 상호작용을 통해 새로운 물리 현상을 탐색하며, $1.5 \times 10^{-3} G_F$ 수준의 약력에 민감하게 반응하여, 스케일 $\Lambda/g = 7.5$ TeV에 해당한다.
• 세계 평균값에서 $\sin^2\theta_W$ 의 3$\sigma$ 불일치를 해결하기 위해 $\sin^2\theta_W$ 를 $\pm 0.00028$ 의 정밀도로 측정한다. 이는 최고 수준의 저에너지 및 충돌기 감도와 일치한다.
• 경량 어둠료 물질 매개체 또는 이중적으로 양의 전하를 가진 스칼라 등 맛 및 CP 보존 신규 물리 현상을 탐지함으로써 LHC 탐색과 유일하게 보완되는 탐색을 제공한다.

제안 방법

• 업그레이드된 조지프슨 랩 12 GeV 시설에서 유도된 11 GeV 극화된 전자 비임을 사용하여 홀 A에서 Møller 산산각산을 수행한다.
• 산산각산된 전자를 28.5 m 떨어진 곳에 있는 분할된 초점면에 원형으로 집중시키기 위해 토로이드 스펙트로미터를 사용한다. 이는 반경 및 원주 방향 해상도를 확보한다.
• 고역동 범위와 낮은 노이즈를 확보하기 위해 통합형(전류 모드) 퀀츠 검출기와 광전자 배율관, 공기 코어 빛 가이드를 사용하여 $A_{PV}$ 를 측정한다.
• 반경 방향으로 6개의 고리(R1–R6)로 분할하며, 주요 Møller 신호를 위한 정밀한 84세그먼트 고리 R5 와 배경 측정을 위한 다른 고리들을 활용한다.
• 전방 검출기를 사용하여 비임 및 표적의 변동성을 모니터링하고, Lead-glass/GEM 검출기를 사용하여 양성자 배경 확률과 비율을 측정한다.
• 통합 검출기의 상류에 저전류 GEM 트래킹 검출기를 사용하여 캘리브레이션 런을 수행하고, 전자 궤도와 운동량 분포를 재구성한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 저에너지에서 전자-전자 산산각산에서의 편평성 위반 대칭성 비율 $A_{PV}$ 를 얼마나 정밀하게 측정할 수 있는가?
• RQ2 MOLLER 실험은 표준모형을 넘어서는 중성 전류 상호작용에 대해 얼마나 민감하게 반응하는가? 특히 $\Lambda/g \sim 7.5$ TeV 수준의 상호작용에 대해.
• RQ3 MOLLER 실험은 $\pm 0.00028$ 의 정밀도로 $\sin^2\theta_W$ 를 측정함으로써 세계 평균값에서의 3$\sigma$ 불일치를 해결할 수 있는가?
• RQ4 MOLLER 실험은 경량 어둠료 물질 매개체 또는 이중적으로 양의 전하를 가진 스칼라 등 맛 및 CP 보존 신규 물리 현상을 탐지할 수 있는 발견 잠재력이 있는가?
• RQ5 MOLLER 측정 결과는 향후 선형 충돌기나 중성미자 공장 실험에 비해 렙톤 중성 전류를 탐색하는 데 있어 어떤 민감도를 가진다?

주요 결과

• MOLLER 실험은 $A_{PV}$ 를 0.7 ppb의 정밀도로 측정하려 하며, 이는 전자의 약한 전하에 대해 2.4%의 분수 불확도에 해당한다.
• MOLLER 구성에서의 $A_{PV}$ 를 향한 이론적 예측은 약 33 ppb이며, 126 GeV의 표준모형 힉스 보손을 가정할 경우 이론적 불확도는 0.2 ppb 미만이다.
• 실험은 $1.5 \times 10^{-3} G_F$ 수준의 효과적 결합에 민감하게 반응하며, 이는 스케일 $\Lambda/g = 7.5$ TeV에 해당한다.
• 초점면의 반경 방향 분할은 인접한 고리에서 Møller 신호(R5)와 불가피한 $ep$ 탄성 및 비탄성 배경 비율을 동시에 측정할 수 있도록 한다.
• 쿼츠 기반 통합 검출기의 프로토타입 테스트는 이미 1회 사건당 25개 이상의 광전자를 기록했으며, 초과 노이즈는 4% 미만을 기록하여 MOLLER 사양을 초월했다.
• MOLLER 실험은 현재까지 다른 계획된 시설과 비교해도, 순수하게 렙톤 부문에서 맛 및 CP 보존 중성 전류 상호작용에 대해 가장 민감한 저에너지 탐색을 제공한다.