[论文解读] Technical Design Report for the Paul Scherrer Institute Experiment R-12-01.1: Studying the Proton "Radius" Puzzle with μp Elastic Scattering

R. Gilman, E. J. Downie+57 more|arXiv (Cornell University)|Sep 27, 2017

Particle Accelerators and Free-Electron Lasers被引用 28

一句话总结

MUSE 实验在保罗·谢勒研究所旨在通过高精度地同时测量μ子-质子（μp）和电子-质子（ep）弹性散射，解决质子电荷半径之谜。该实验采用双束谱仪，配备极化μ子和电子束，通过在单一实验装置中比较截面、电磁形式因子和半径，显著降低系统性不确定度，实现对轻子对称性及两光子交换效应的亚百分之一水平的5σ灵敏度检测。

ABSTRACT

The difference in proton radii measured with $μp$ atoms and with $ep$ atoms and scattering remains an unexplained puzzle. The PSI MUSE proposal is to measure $μp$ and $e p$ scattering in the same experiment at the same time. The experiment will determine cross sections, two-photon effects, form factors, and radii independently for the two reactions, and will allow $μp$ and $ep$ results to be compared with reduced systematic uncertainties. These data should provide the best test of lepton universality in a scattering experiment to date, about an order of magnitude improvement over previous tests. Measuring scattering with both particle polarities will allow a test of two-photon exchange at the sub-percent level, about a factor of four improvement on uncertainties and over an order of magnitude more data points than previous low momentum transfer determinations, and similar to the current generation of higher momentum transfer electron experiments. The experiment has the potential to demonstrate whether the $μp$ and $ep$ interactions are consistent or different, and whether any difference results from novel physics or two-photon exchange. The uncertainties are such that if the discrepancy is real it should be confirmed with $\approx$5$σ$ significance, similar to that already established between the regular and muonic hydrogen Lamb shift.

研究动机与目标

• 通过直接比较同一实验中获得的 μp 和 ep 散射数据，解决质子电荷半径之谜。
• 通过以最小系统性偏差测量μ子和电子的截面和电磁形式因子，检验量子电动力学中的轻子对称性。
• 研究质子电荷半径测量差异是否源于两光子交换效应或标准模型之外的新物理。
• 实现对 μp 和 ep 结果之间真实差异的 5σ 显著性水平检测。
• 通过同时测量、束流极性反转以及高精度校准谱仪角度和多重散射修正，最小化系统性不确定度。

提出的方法

• 在保罗·谢勒研究所使用双束谱仪，同时探测来自质子靶的散射μ子和电子。
• 采用束流极性反转（正负μ子和电子）以在亚百分之一水平上分离并测量两光子交换效应。
• 利用高能粒子进行高精度角度校准，通过旋转管状室将散射角不确定度降低至约 0.2 mrad。
• 结合 Geant4 模拟与实验校准，对探测器和靶材料中的多重散射效应进行修正。
• 使用 GEM 探测器、束流多普勒计时器和基于 SiPM 的闪烁体探测器进行粒子追踪与本底抑制。
• 开展专门的校准运行，以验证多重散射和束流动量测定的模拟精度。

实验结果

研究问题

• RQ1 在 μp 原子中测得的质子电荷半径是否与 ep 散射测得的结果一致？若不一致，其原因是什么？
• RQ2 两光子交换是否对观测到的质子电荷半径差异有显著贡献？
• RQ3 若 μp 和 ep 散射截面之间存在差异，实验能否确认其达到 5σ 水平？
• RQ4 先前实验中的系统性不确定度在多大程度上影响了半径测量？是否可通过同时测量加以降低？
• RQ5 多重散射修正在多大程度上可实现对电磁形式因子和半径提取的亚百分之一精度？

主要发现

• 该实验设计可将质子电荷半径提取的系统性不确定度控制在绝对截面低于 0.2%，μp 与 ep 截面比值低于 0.1%。
• 束流角度不确定度为 ±1 mrad 时，截面不确定度可达 1%，但预计谱仪校准可将其限制在 <0.2% 以内。
• 多重散射修正对单个截面估计贡献约 0.3% 的不确定度，对截面比值贡献约 0.1%，且模拟预计可进一步降低该值。
• μp 与 ep 截面比值可抵消大量系统性效应，从而增强对两光子交换和轻子对称性的探测灵敏度。
• 利用高能粒子进行高精度校准，可使谱仪角度确定精度达 ~0.2 mrad，确保可靠的角动量重建。
• 该实验收集的数据点数量将超过以往低动量转移实验的一个数量级以上，从而实现对质子电荷半径之谜的统计上稳健的检验。