[논문 리뷰] Measurement of the Positive Muon Anomalous Magnetic Moment to 0.20 ppm

D. P. Aguillard, T. Albahri외 189명|arXiv (Cornell University)|2023. 08. 11.

Particle physics theoretical and experimental studies인용 수 14

한 줄 요약

The Fermilab Muon g-2 Collaboration은 2019–2020 데이터를 사용하여 양의 μ온의 비정상 자기 모멘트 a_mu의 새로운 측정을 보고하며, 0.20 ppm 정밀도와 세계 평균의 업데이트를 달성하였다.

ABSTRACT

We present a new measurement of the positive muon magnetic anomaly, $a_μ\equiv (g_μ- 2)/2$, from the Fermilab Muon $g\!-\!2$ Experiment using data collected in 2019 and 2020. We have analyzed more than 4 times the number of positrons from muon decay than in our previous result from 2018 data. The systematic error is reduced by more than a factor of 2 due to better running conditions, a more stable beam, and improved knowledge of the magnetic field weighted by the muon distribution, $ ildeω'^{}_p$, and of the anomalous precession frequency corrected for beam dynamics effects, $ω_a$. From the ratio $ω_a / ildeω'^{}_p$, together with precisely determined external parameters, we determine $a_μ= 116\,592\,057(25) imes 10^{-11}$ (0.21 ppm). Combining this result with our previous result from the 2018 data, we obtain $a_μ ext{(FNAL)} = 116\,592\,055(24) imes 10^{-11}$ (0.20 ppm). The new experimental world average is $a_μ( ext{Exp}) = 116\,592\,059(22) imes 10^{-11}$ (0.19 ppm), which represents a factor of 2 improvement in precision.

연구 동기 및 목표

• 표준 모델(Standard Model)에 대한 고정밀 테스트를 촉진하기 위해 muon 자기 모멘트 비정상 값 a_mu를 이용한다.
• 실험적 제어를 향상시켜 muon 스핀 프리cession 및 자기장 매핑으로 계통오차를 줄인다.
• omega_a와 tilde(omega_p') 측정으로부터 a_mu를 견고하게 추출하기 위해 여러 분석 및 블라인딩 방식들을 결합한다.
• 불확실성을 줄인 a_mu의 업데이트된 실험값을 제공하고 이를 SM 예측과 비교한다.

제안 방법

• 측정했던 비정상 전전주기(omega_a)를 칼로리미터의 시간 의존 포지트론 신호에서 추출한다.
• NMR 트롤리 프로브로 자기장을 매핑하고 muon 분포로 가중된 tilde(omega_p')를 보정한다.
• R_mu' = omega_a / tilde(omega_p')의 비율을 외부 상수(mu_p', mu_e, m_mu/m_e, g_e/2)로부터 a_mu를 계산한다.
• 진정한 omega_a와 tilde(omega_p')를 얻기 위한 빔 다이내믹스 보정(C_e, C_p, C_pa, C_dd, C_ml)과 필드 과도 현상 보정(B_k, B_q)을 적용한다.
• Run-2/3와 Run-1에 걸친 독립적 분석 및 블라인딩 방식을 결합하여 일관성과 시스템atics를 검증한다.

Figure 1: Fourier transform of the residuals from a fit following Eq. 3 excluding $\eta_{N}$ , $\eta_{A}$ , and $\eta_{\phi}$ (red dashed line), and from the full fit (black line). The peaks correspond to the missing betatron frequencies and muon losses. Data are from the Run-3a data set. Inset: cor

실험 결과

연구 질문

• RQ1 Run-2/3 데이터에서 양의 μon 비정상 자기 모멘트 a_mu의 정밀한 값은 얼마인가?
• RQ2 빔 다이내믹스와 자기장 계통오차 보정이 omega_a와 tilde(omega_p')로부터 a_mu의 추출에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ3 Run-2/3 결과가 이전의 Run-1 측정 및 Standard Model 예측과 일치하는가?
• RQ4 BNL과 FNAL 결과를 포함한 a_mu의 결합 실험 세계 평균은 얼마이며 주요 불확실성 원인은 무엇인가?

주요 결과

• a_mu(FNAL) = 116592055(24) × 10^-11 (0.20 ppm) Run-2/3 데이터와 Run-1 보정의 결합에서.
• 새로운 실험적 세계 평균은 a_mu(exp) = 116592059(22) × 10^-11 (0.19 ppm)입니다.
• Run-2/3에서 omega_a의 통계적 불확실성은 201 ppb이고 체계적 불확실성은 25 ppb이다.
• R_mu'에 연관된 전체 622 ppb의 총 불확실성이 축소되어 이전 결과 대비 정밀도가 두 배로 향상되었다.
• Run-2/3은 Run-1에 비해 탐지된 양전자 수를 네 배로 증가시켰고, 계통오차는 두 배 이상 감소했다.
• 상관된 불확실성 내에서 Run-2/3와 보정된 Run-1 값 사이의 일관성이 발견되었다.

Figure 2: Azimuthally averaged magnetic field contours overlaid on the time- and azimuthally averaged muon distribution for the Run-3b data set. The field is more uniform, and the increased kicker strength moves the beam closer to the center than in Run-1.