[논문 리뷰] The New Muon g-2 experiment at Fermilab

G. Venanzoni|arXiv (Cornell University)|2014. 11. 10.

Particle physics theoretical and experimental studies참고 문헌 1인용 수 8

한 줄 요약

페르미랩 E989 실험은 0.14 ppm의 정밀도로 뮤온 비편재자기모멘트를 측정하고자 하며, 뉴욕대학(BNL) E821 실험 대비 네 배 향상된 성능을 달성한다. BNL의 저장링을 재사용하고, 고도로 발전된 검출기, 향상된 비드 제어 및 낮아진 시스템 불확실성으로 인해, 표준모형 예측과 이전 측정치 사이의 기존 3σ 이격을 확인하거나 해결하고자 하며, 표준모형을 초월한 새로운 물리학의 가능성을 드러내기 위한 것이다.

ABSTRACT

There is a long standing discrepancy between the Standard Model prediction for the muon g-2 and the value measured by the Brookhaven E821 Experiment. At present the discrepancy stands at about three standard deviations, with a comparable accuracy between experiment and theory. Two new proposals -- at Fermilab and J-PARC -- plan to improve the experimental uncertainty by a factor of 4, and it is expected that there will be a significant reduction in the uncertainty of the Standard Model prediction. I will review the status of the planned experiment at Fermilab, E989, which will analyse 21 times more muons than the BNL experiment and discuss how the systematic uncertainty will be reduced by a factor of 3 such that a precision of 0.14 ppm can be achieved.

연구 동기 및 목표

• 측정된 뮤온 g-2와 표준모형 예측 사이의 오랫동안 지속된 3σ 이격을 해결하기 위해.
• BNL E821 실험 대비 실험 정밀도를 네 배 향상시키기 위해.
• 향상된 비드 제어 및 검출기 설계를 통해 시스템 불확실성을 3배 감소시키기 위해.
• 고정밀도 뮤온 비편재자기모멘트 측정을 통해 표준모형을 초월한 새로운 물리학을 탐색하기 위해.
• 동시에 뮤온 전기 dipole moment을 측정하고 CPT 또는 로렌츠 위반 여부를 검증하기 위해.

제안 방법

• 페르미랩에서 재조립된 BNL E821 저장링 마그넷을 사용하여, 신규로 안정적이고 온도 제어가 가능한 MC-1 건물에 설치한다.
• 고강도 프로톤 비드를 이용해 피온을 생성하고, 이들이 뮤온으로 붕괴되도록 하며, 초전도성 인플렉터 마그넷을 통해 뮤온을 저장링에 주입한다.
• 정밀한 에너지 및 시간 측정을 위해 실리콘 광다이오드(SiPM) 판독 방식을 사용하는 lead fluoride (PbF2) 결정 전자기열량측정기(칼로리미터)를 활용한다.
• 뮤온을 추적하고 동시에 뮤온 전기 dipole moment을 측정하기 위해 진공 내부에 배치된 스트로우 드프트 튜브를 사용한다.
• 이벤트 모드 및 통합 모드 분석이 가능한 현대식 웨이브폼 디지타이저 기반 데이터 수집 시스템을 적용한다.
• 자기장 셰이밍 및 자기장 측정 시스템을 향상시켜 자기장의 시스템 불확실성을 50% 감소시킨다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 측정된 뮤온 g-2와 표준모형 예측 사이의 3σ 이격이 개선된 실험 정밀도로 확인될 수 있는가?
• RQ2 검출기 분할, 비드라인 최적화 및 자기장 균일성 향상로 인해 뮤온 g-2 측정의 시스템 불확실성은 어느 정도 감소할 수 있는가?
• RQ3 향상된 하드로닉 진공 극화 및 라이트-바이-라이트 산란 계산이 aμ의 이론적 예측에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ4 동일한 데이터로 뮤온 전기 dipole moment에 대한 새로운 한계를 도출할 수 있는가?
• RQ5 고정밀도 g-2 측정에서 뮤온 스핀의 진동에 CPT 또는 로렌츠 위반이 존재하는 증거가 있는가?

주요 결과

• 페르미랩의 E989 실험은 뮤온 g-2 측정에서 0.14 ppm의 정밀도를 달성할 것으로 예상되며, 이는 BNL E821 실험의 0.54 ppm 대비 네 배 향상된 것이다.
• 실험은 BNL E821 실험보다 21배 더 많은 뮤온을 분석할 것으로 예상되어 통계적 불확실성이 크게 감소할 것이다.
• 피온 오염 감소, 분할 검출기, 향상된 키퍼 성능을 통해 뮤온의 진동 주파수 측정에서의 시스템 불확실성이 3배 감소할 것으로 예상된다.
• 개선된 셰이밍을 통해 자기장 균일성이 향상되어 자기장의 시스템 오차가 50% 감소할 것이다.
• 2017년 초에 첫 번째 물리 데이터 수집이 시작될 것으로 예상되며, 첫 번째 주요 이정표인 초전도 코ils 냉각 및 저장링 전원 공급은 2015년 봄에 달성되었다.
• 실험은 동시에 뮤온 전기 dipole moment에 대한 새로운 한계를 제공하고, 뮤온 스핀 진동에서 CPT 또는 로렌츠 위반에 대한 더욱 엄격한 검증을 수행할 것이다.