[论文解读] Geometric Muon g-2 in the Aether Physics Model (APM): Torsion Closure and a Casimir Sidereal-Drift Test

Thomson, David, Bourassa, James Donald|ArXiv.org|Jun 3, 2025

Particle physics theoretical and experimental studies被引用 8

一句话总结

本论文利用 FNAL 的 Run-4 至 Run-6 数据，对正μ介子的异常磁矩 a_mu 进行高精度测量，取得改进的精度并详细描述磁场与自旋进动分析中的修正与系统误差。

ABSTRACT

A new measurement of the magnetic anomaly $a_μ$ of the positive muon is presented based on data taken from 2020 to 2023 by the Muon $g-2$ Experiment at Fermi National Accelerator Laboratory (FNAL). This dataset contains over 2.5 times the total statistics of our previous results. From the ratio of the precession frequencies for muons and protons in our storage ring magnetic field, together with precisely known ratios of fundamental constants, we determine $a_μ = 116\,592\,0710(162) imes 10^{-12}$ (139 ppb) for the new datasets, and $a_μ = 116\,592\,0705(148) imes 10^{-12}$ (127 ppb) when combined with our previous results. The new experimental world average, dominated by the measurements at FNAL, is $a_μ( ext{exp}) =116\,592\,0715(145) imes 10^{-12}$ (124 ppb). The measurements at FNAL have improved the precision on the world average by over a factor of four.

研究动机与目标

• 通过 μ 子的磁矩进行标准模型的精密测试以及对超出标准模型物理的敏感性。
• 使用 FNAL Muon g-2 存储环技术，在正μ的测量 a_mu 时显著增加统计量。
• 量化并纠正实验与环境系统误差，以达到对理论的严格基准。
• 提供一个由 FNAL 结果主导的新实验世界平均 a_mu，并与 SM 预测比较。

提出的方法

• 在半径 7.112 m 的 μ 存储环中、磁场 1.45 T 下测量 μ 自旋进动频率 omega_a。
• 通过比值 R_mu' = omega_a / omega_p'(T_r)，结合 μ 加权的磁场平均与已知的基本常数，确定 a_mu。
• 使用一组修正（C_e、C_p、C_pa、C_dd、C_ml）以及磁场地图/标定项（B_k、B_q）来校正 omega_a 和磁场。
• 在四个数据集（noRF, xRF, xyRF5, xyRF6）上采用多种独立的正电子重建与分析方法，并进行盲分析以确保鲁棒性。

Figure 1: Fourier transform of the residuals from the sum of the four fits to the Run-4/5/6 data excluding (blue) and including (purple) the $\xi(i)$ terms that incorporate the beam oscillation effects. The peaks correspond to the betatron frequencies (see [ 16 ] for frequency definitions). The RF-d

实验结果

研究问题

• RQ1 来自 FNAL Run-4/5/6 数据，正μ的异常磁矩 a_mu 的精确数值是多少？
• RQ2 各种探测器、束流和场相关的系统误差修正如何影响提取的 a_mu？
• RQ3 新测量与之前的 FNAL 与 SM 预测相比如何，对实验世界平均值有何影响？
• RQ4 在升级的 RF 与 ESQ 系统以及改进的场映射下，能够达到的最小总不确定度是多少？

主要发现

Quantity	Correction (ppb)	Uncertainty (ppb)
ω_a^m (statistical)	114
ω_a^m (systematic)	30
C_e	347	27
C_p	175	9
C_pa	-33	15
C_dd	26	27
C_ml	0	2
⟨ω′_p × M⟩ (mapping, tracking)		34
⟨ω′_p × M⟩ (calibration)		34
B_k	-37	22
B_q	-21	20
μ′_p/μ_B		4
m_μ/m_e		22
Total systematic for R′_μ		76
Total for a_μ		139

• a_mu = 1165920710(162) × 10^−12 用于 Run-4/5/6 数据集（139 ppb），与先前结果合并时 a_mu = 1165920705(148) × 10^−12（127 ppb）。
• 新的实验世界平均值为 a_mu(exp) = 1165920715(145) × 10^−12（124 ppb）。
• 统计不确定度在 Run-4/5/6 的 a_mu 不确定度中占主导，统计误差为 114 ppb。
• 对 omega_a 和 μ 加权场的系统修正已量化，包括 C_e、C_p、C_pa、C_dd、C_ml，以及场相关项 B_k 与 B_q。
• 该实验报告改进的场映射统计量，Run-4/5/6 使用了 194 张地图，降低了地图相关不确定性。
• 多种独立分析给出一致的 omega_a 值，增强测量的鲁棒性。

Figure 2: Azimuthally averaged magnetic field contours in units of $\text{\,}\mathrm{p}\mathrm{p}\mathrm{m}$ overlaid in white on the time- and azimuthally averaged muon distribution for the xyRF5 dataset.