[论文解读] Muon g-2 Experiment at Fermilab

F. Gray|arXiv (Cornell University)|Oct 1, 2015

Particle physics theoretical and experimental studies参考文献 12被引用 8

一句话总结

费米国家加速器实验室E989μ子g-2实验旨在以140 ppb的精度测量μ子的反常磁矩，利用翻新的超导储存环磁铁和升级后的探测器，检验布鲁克海文E821实验结果与标准模型预测之间存在的3σ差异。若得到证实，这将为标准模型之外的新物理提供有力证据。

ABSTRACT

A new experiment at Fermilab will measure the anomalous magnetic moment of the muon with a precision of 140 parts per billion (ppb). This measurement is motivated by the results of the Brookhaven E821 experiment that were first released more than a decade ago, which reached a precision of 540 ppb. As the corresponding Standard Model predictions have been refined, the experimental and theoretical values have persistently differed by about 3 standard deviations. If the Brookhaven result is confirmed at Fermilab with this improved precision, it will constitute definitive evidence for physics beyond the Standard Model. The experiment observes the muon spin precession frequency in flight in a well-calibrated magnetic field; the improvement in precision will require both 20 times as many recorded muon decay events as in E821 and a reduction by a factor of 3 in the systematic uncertainties. This paper describes the current experimental status as well as the plans for the upgraded magnet, detector and storage ring systems that are being prepared for the start of beam data collection in 2017.

研究动机与目标

• 解决布鲁克海文E821实验对μ子反常磁矩的测量与标准模型预测之间长期存在的3σ差异。
• 实现对μ子反常磁矩测量的140 ppb精度，相比E821实验提升3.8倍。
• 将系统不确定度降低为E821水平的1/3，主要通过改进磁场测绘、提升NMR校准精度以及采用先进的束流诊断技术。
• 检验新物理（如超对称或暗光子）是否可解释观测到的μ子磁矩差异。
• 利用费米国家加速器实验室重新组装并升级的储存环系统，提供一项独立的高精度测量。

提出的方法

• 实验通过测量在精确校准的1.45 T磁场中循环的极化μ子的自旋进动频率，利用关系式ωₐ = aₘ(e/m)B。
• 通过电磁量能器探测μ子衰变中高能正电子的调制频率，提取反常进动频率ωₐ。
• 使用超过300个固定NMR探针监测磁场，通过真空内小车和绝对标准进行校准，目标是将ωₚ的不确定性控制在70 ppb以内。
• 在两个位置安装新型管状漂移室追踪系统，用于测量μ子衰变顶点和束流分布，以改善磁场平均并探测电偶极矩。
• 在关键位置安装闪烁纤维束流剖面监测器，以优化注入并监测束流稳定性。
• 实验采用重新组装的E821储存环磁铁，改进了磁屏蔽和稳定性，工作在1.45 T和5100 A，电流留有高于额定值的安全裕量。

实验结果

研究问题

• RQ1 费米国家加速器实验室能否通过提升精度，确认布鲁克海文E821实验测量结果与标准模型预测之间关于μ子反常磁矩的3σ差异？
• RQ2 强子真空极化与光-光散射对aₘ理论不确定性的贡献是什么？如何减小这一不确定性？
• RQ3 费米国家加速器实验室实验在磁场测量和束流稳定性方面，系统不确定度能否显著低于E821水平？
• RQ4 实验能否通过衰变谱中正电子动量的调制探测到μ子电偶极矩？
• RQ5 费米国家加速器实验室提升的测量精度是否能证实标准模型之外新物理的存在，如超对称或暗光子？

主要发现

• 费米国家加速器实验室E989实验成功将重新组装的E821储存环磁铁升流至5300 A，超过额定工作电流5100 A，证实已具备磁屏蔽条件。
• 首次通电后的磁场测绘显示，方位角磁场变化仅比E821最终磁场图大一个数量级，表明磁场质量极佳。
• 质子NMR频率ωₚ的目标不确定性设定为70 ppb，相比E821提升3倍，得益于频繁的小车校准和探针稳定性的提升。
• 实验计划于2017年3月开始束流调试，夏季停机后于2017年9月启动正式数据采集。
• 首个结果预计在2018年CIPANP会议前发布，目标是确认或证伪布鲁克海文实验中观测到的3σ差异。
• 实验将收集比E821多20倍的μ子衰变事件，显著提升统计精度。