[論文レビュー] A New Approach for Measuring the Muon Anomalous Magnetic Moment and Electric Dipole Moment

Masayuki Abe, S. Bae+94 more|arXiv (Cornell University)|Jan 10, 2019

Particle physics theoretical and experimental studies被引用数 5

ひとこと要約

本論文は、低発散度で再加速された熱的ミューオンビームを用いて、J-PARCにおけるミューオンの異常磁気モーメント（$a_\mu$）および電気双極子モーメント（EDM）を測定する、革新的な実験的手法を提案する。20倍小さいソレノイド径と3次元スパイラル注入を備えたコンactな300 MeV/$c$の保存リングを用いることで、$a_\mu$の統計的不確実性は450 ppb、$d_\mu$の感度は$1.5 \times 10^{-21}~{}e\cdot\text{cm}$に達し、それぞれの系統的不確実性は7倍および4倍小さくなる。

ABSTRACT

This paper introduces a new approach to measure the muon magnetic moment anomaly $a_μ = (g-2)/2$, and the muon electric dipole moment (EDM) $d_μ$ at the J-PARC muon facility. The goal of our experiment is to measure $a_μ$ and $d_μ$ using an independent method with a factor of 10 lower muon momentum, and a factor of 20 smaller diameter storage-ring solenoid compared with previous and ongoing muon $g-2$ experiments with unprecedented quality of the storage magnetic field. Additional significant differences from the present experimental method include a factor of 1,000 smaller transverse emittance of the muon beam (reaccelerated thermal muon beam), its efficient vertical injection into the solenoid, and tracking each decay positron from muon decay to obtain its momentum vector. The precision goal for $a_μ$ is statistical uncertainty of 450 part per billion (ppb), similar to the present experimental uncertainty, and a systematic uncertainty less than 70 ppb. The goal for EDM is a sensitivity of $1.5 imes 10^{-21}~e\cdot\mbox{cm}$.

研究の動機と目的

• 実験的および標準模型の値の間の3.5σの不一致を解消するために、系統的誤差を改善した独立した測定を提供すること。
• T破れ相互作用に敏感な$ a_\mu $およびミューオン電気双極子モーメント（$ d_\mu $）の高精度測定を通じて、標準模型を超える新しい物理を探ること。
• ミューオンEDMに対する感度を$1.5 \times 10^{-21}~{}e\cdot\text{cm}$のレベルに達させ、BNLの限界値に対して2桁の改善を実現すること。
• 低運動量ミューオンとコンactな保存リングを用いた$g-2$測定の新しい実験的パラダイムを構築すること。これは、従来の実験とは根本的に異なるマジックモーメント法とは異なる。

提案手法

• 従来の実験と比較して1,000分の1に発散度が低く、磁場焦点が弱く、小型の保存リングが利用可能な再加速された熱的ミューオンビームを用いる。
• パルス磁場キックを用いた3次元スパイラル注入法を実装し、高い垂直受容性を備えた効率的かつ安定したミューオンビームの保存リング内への注入を実現する。
• 個々の陽電子の運動量ベクトルを再構築できるシリコンストリップセンサから構成されるトラッキング検出器を採用し、正確なスピン進化測定を可能にする。
• 非常に均一な磁場内でのミューオンスピンの進化周波数を測定することで、ミューオン異常磁気モーメントを測定する。具体的には、崩壊陽電子の上方向と下方向のカウントの時間依存的非対称性を用いる。
• 垂直方向の振動を示す上方向・下方向非対称性$\mathcal{A}_{\text{UD}}(t)$の変調を用いて、EDMに起因するスピン進化成分を抽出する。この振動は、軌道面に垂直な方向へのEDM由来のスピン進化に起因する。
• 光周波数コンブを用いたアライメントモニタを適用することで、1μrad未満の分解能を達成し、検出器のずれに起因する系統的不確実性を最小限に抑える。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 低発散度・低運動量ミューオンビームは、BNL実験と比較して系統的不確実性を低減させながら、$a_\mu$の高精度測定を可能にするか？
• RQ2 新規の3次元スパイラル注入方式は、従来の実験と比較して20倍小さい直径のコンパクトなソレノイド内でも、効率的かつ安定したミューオンビームの保存を実現できるか？
• RQ3 この新規手法によるミューオンEDMの測定可能な統計的感度はどの程度か？ また、現在のBNL限界値と比較してどうなるか？
• RQ4 特に検出器のずれや磁場の不均一性に起因する系統的不確実性は、どの程度制御可能か？ これにより、発見レベルのEDM測定が可能になるか？
• RQ5 この手法は、異なる系統的誤差プロファイルを有することで、$3.5\sigma$の不一致を解消し、新しい物理の可能性を強化できるか？

主な発見

• 本実験は、ミューオン異常磁気モーメント（$a_\mu$）の統計的不確実性を450 part per billion（ppb）に設定しており、BNL実験と同等の精度に達する。
• ミューオン電気双極子モーメント（EDM）に対する感度は、$1.5 \times 10^{-21}~{}e\cdot\text{cm}$に達すると予想され、現在のBNL限界値に対して2桁の改善を実現する。
• $a_\mu$の系統的不確実性は70 ppb未満と推定され、統計的不確実性の7分の1にまで低減されており、大幅に高い信頼性が得られる。
• EDM測定の系統的不確実性は$0.36 \times 10^{-21}~{}e\cdot\text{cm}$と推定され、主に検出器のずれに起因する。他の要因（例：軸方向電場）は$<10^{-24}~{}e\cdot\text{cm}$と無視できるほど小さい。
• 光周波数コンブ技術による3.6 μradのアライメント分解能のおかげで、EDM測定における系統的誤差が高精度で制御可能である。
• 本手法は、異なる系統的誤差プロファイルを持つ統計的に制限された$ a_\mu $測定を可能とし、$3.5\sigma$の不一致に対する独立した重要なテストを提供する。