[论文解读] 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 5

一句话总结

该论文提出了一项在J-PARC开展的新实验方法，利用低发射度、再加速的热μ子束测量μ子反常磁矩（$a_\mu$）和电偶极矩（EDM）。通过采用紧凑型300 MeV/$c$储存环，其螺线管直径缩小为之前的20倍，并结合三维螺旋注入技术，该方法实现了$ a_\mu $的统计不确定性为450 ppb，对$ d_\mu $的灵敏度达到$1.5 \times 10^{-21}~{}e\cdot\text{cm}$，系统误差分别降低了7倍和4倍。

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 $1.5 imes 10^{-21}~e\cdot\mbox{cm}$.

研究动机与目标

• 通过提供具有改进系统控制能力的独立测量，解决实验值与标准模型预测之间在μ子反常磁矩（$a_\mu$）上存在的3.5σ偏差。
• 通过高精度测量$ a_\mu $和μ子电偶极矩（$ d_\mu $）探索标准模型之外的新物理，因为这两者对T破坏相互作用敏感。
• 实现对μ子EDM的灵敏度达到$1.5 \times 10^{-21}~{}e\cdot\text{cm}$，相比BNL的极限提升两个数量级。
• 开发一种基于低动量μ子和紧凑储存环的新实验范式，与以往实验采用的“魔术动量”方法有本质不同。

提出的方法

• 利用横向发射度相比以往实验降低1000倍的再加速热μ子束，实现低磁聚焦和更小的储存环。
• 采用三维螺旋注入方法，通过脉冲磁力脉冲实现高效注入，具有高垂直接受度。
• 使用由硅条形传感器组成的追踪探测器，重建μ子衰变中单个正电子的动量矢量，从而实现精确的自旋进动测量。
• 通过测量高度均匀磁场中μ子自旋进动频率，利用衰变正电子计数的时间依赖上下不对称性来测定μ子反常磁矩。
• 从上下不对称性$\mathcal{A}_{\text{UD}}(t)$的垂直振荡中提取μ子EDM信号，该振荡受EDM引起的垂直于轨道平面的自旋进动调制。
• 应用基于光频梳的对准监测技术，实现亚微弧度（sub-microradian）分辨率，最大限度减小探测器对准误差带来的系统不确定性。

实验结果

研究问题

• RQ1 低发射度、低动量μ子束是否能实现相比BNL实验系统误差更小的$ a_\mu $高精度测量？
• RQ2 新型三维螺旋注入方案是否能在直径仅为以往实验20分之一的紧凑螺线管中实现高效且稳定的μ子束储存？
• RQ3 该新方法对μ子EDM的可实现统计灵敏度是多少？与当前BNL极限相比如何？
• RQ4 系统误差（尤其是探测器对准误差和磁场不均匀性）在多大程度上可被控制，以实现具有发现能力的EDM测量？
• RQ5 该方法是否能通过与以往实验不同的系统误差分布，解决$ a_\mu $中3.5σ的偏差，从而加强新物理存在的证据？

主要发现

• 实验对μ子反常磁矩（$ a_\mu $）的统计不确定性目标为450 ppb，与BNL实验的精度相当。
• 对μ子电偶极矩（EDM）的灵敏度预计可达到$1.5 \times 10^{-21}~{}e\cdot\text{cm}$，相比当前BNL极限提升两个数量级。
• $ a_\mu $的系统误差估计小于70 ppb，为统计不确定性的七分之一，显著提升了结果的稳健性。
• EDM测量的系统误差估计为$0.36 \times 10^{-21}~{}e\cdot\text{cm}$，主要来源于探测器对准误差，其他效应（如轴向电场）可忽略不计，小于$10^{-24}~{}e\cdot\text{cm}$。
• 基于光频梳技术的3.6 μrad对准分辨率确保了EDM测量中系统误差的高控制水平。
• 该方法实现了统计极限的$ a_\mu $测量，且系统误差分布与以往实验不同，为$3.5\sigma$偏差提供了关键的独立检验。