[논문 리뷰] The Status and Prospects of the Muon $g-2$ Experiment at Fermilab

A. T. Fienberg|arXiv (Cornell University)|2019. 05. 13.

Particle physics theoretical and experimental studies인용 수 7

한 줄 요약

페르미랩 뮤온 $g-2$ 실험은 저장된 뮤온을 이용하고 정밀한 NMR 자기장 모니터링을 통해 뮤온의 비정상 자기모멘트를 140 ppb의 정밀도로 측정하여 브루클린의 E821 실험보다 4배 더 높은 정밀도를 확보함으로써 실험과 표준모형 예측 간의 3.7σ 이격을 테스트한다. 양성자 에너지 스펙트럼을 통해 비정상 진동 주파수를 측정하며, 초기 런 1 데이터 분석에서 여섯 개의 독립 팀 간에 강력한 일치가 확인되어 분석 프레임워크의 타당성이 입증되었다.

ABSTRACT

The E989 Muon $g-2$ Experiment at Fermilab aims to measure the muon magnetic anomaly, $a_μ$, to an unprecedented precision of 140 parts per billion (ppb), representing a four-fold improvement over the current best measurement, achieved at Brookhaven National Lab. There stands a greater than 3 standard deviations discrepancy between the Brookhaven measurement of $a_μ$ and the theoretical value predicted using the Standard Model. The Fermilab experiment seeks to either resolve or confirm this discrepancy, which is suggestive of new physics interactions. To achieve the E989 target precision, the anomalous precession frequency of muons in a magnetic storage ring must be determined with a systematic uncertainty below 70\,ppb, and the average magnetic field experienced by these stored muons must be known equally well. The muon anomalous precession frequency is imprinted on the time-dependent energy distribution of decay positrons observed by 24 electromagnetic calorimeters. A suite of pulsed NMR probes continually monitors the magnetic field. This document presents the current status of the Fermilab experiment while emphasizing the ongoing analysis of the 2018 Run 1 dataset and the systematic effects that complicate it.

연구 동기 및 목표

• 브루클린의 E821 측정보다 4배 향상된 140 ppb 정밀도로 뮤온의 비정상 자기모멘트 $a_{\mu}$ 를 측정한다.
• 브루클린 측정치와 표준모형 예측 간의 3.7σ 이격을 해결하거나 확인함으로써 새로운 물리학의 힌트를 제공한다.
• 비정상 진동 주파수 및 자기장 측정의 시스템적 불확실성을 각각 70 ppb 이하로 줄인다.
• 맹글된 데이터와 독립적인 재구성 파이프라인을 사용한 다수 팀의 분석 프레임워크의 신뢰성을 보장하기 위해 견고한 다중 팀 분석 프레임워크를 검증한다.

제안 방법

• 24개의 전자기 캘로리미터를 사용하여 붕괴된 뮤온에서 유도된 양성자의 시간에 따라 변하는 에너지 스펙트럼을 관측함으로써 비정상 진동 주파수 $\omega_a$ 를 측정한다.
• 고정형, 트롤리에 장착된, 절대 캘리브레이션 프로브를 포함한 다수의 펄스 NMR 프로브를 사용하여 자기장을 sub-ppb 안정성으로 모니터링한다.
• 모든 팀이 비밀 기준 주파수에 상대적으로 $\omega_a$ 를 피팅하는 막힌 분석 프로토콜을 적용하여 편향을 방지한다.
• 에너지 임계값에 따라 달라지는 매개변수를 가진 감쇠 진동 함수 $f(t) = Ne^{-t/\tau}[1 + A\cos(\omega_a t - \phi)]$ 를 사용하여 양성자 탐지율을 모델링한다.
• 뮤온 빔의 공진 운동 및 빔 손실과 같은 빔 역학 효과와 피킹업 및 시간에 따라 변하는 신호 증폭 변화와 같은 탐지기 효과를 보정한다.
• 캘리브레이션 레이저를 현장에서 사용하여 캘로리미터의 시간에 따라 변하는 신호 증폭 변화를 측정하고 제거한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 비정상 진동 주파수 $\omega_a$ 는 통계적 불확실성을 140 ppb 이하로 줄일 수 있을 정도로 충분히 정밀하게 측정될 수 있는가?
• RQ2 빔 진동, 피킹업, 증폭 드리프트와 같은 시스템적 효과가 시스템적 불확실성의 70 ppb 목표를 초과하는 편향을 유도하는가?
• RQ3 다른 데이터 재구성 및 보정 절차를 사용하는 독립 팀 간에 분석 프레임워크가 견고하고 일관된가?
• RQ4 초기 60시간 데이터 세트 분석은 측정 체인의 일관성을 확인하고 전체 런 1 분석을 위한 기반을 마련하는가?
• RQ5 실험은 브루클린 측정치와 표준모형 예측 간의 3.7σ 이격을 해결할 수 있는가?

주요 결과

• 여섯 개의 독립 분석 팀이 60시간 데이터 세트에서 $\omega_a$ 측정치에 대해 뛰어난 일치를 보였으며, 분석 프레임워크의 견고성을 입증했다.
• 팀들은 시스템적 불확실성에 대한 일관된 추정치를 제시하여 분석 파이프라인이 신뢰할 수 있고 내부적으로 일관됨을 확인했다.
• 통계적 불확실성을 최소화하는 데 최적의 에너지 임계값은 1.7 GeV로 확인되었다.
• 뮤온 빔의 공진 운동과 같은 빔 역학 효과는 강력하여 피팅 함수에 명시적으로 모델링할 필요가 있었다.
• 피킹업 및 시간에 따라 변하는 증폭 변화는 현장 레이저 캘리브레이션과 팀별 고유의 재구성 보정을 통해 보정되었으며, 유의미한 편향은 발견되지 않았다.
• 맹글린 분석 프로토콜이 성공적으로 실행되었으며, 2019년 2월의 상대적 언블라인딩 결과 팀 간 일관성이 확인되어 전체 런 1 분석을 위한 길이 열렸다.