[论文解读] The MOLLER Experiment: An Ultra-Precise Measurement of the Weak Mixing Angle Using Møller Scattering

MOLLER Collaboration, J. Benesch+123 more|arXiv (Cornell University)|Nov 15, 2014

Particle physics theoretical and experimental studies被引用 48

一句话总结

MOLLER实验提出在杰弗生实验室升级后的11 GeV电子束下，对电子-电子散射中的宇称破坏不对称性进行超精密测量，目标是将不对称性的精度提升至0.7 ppb，从而以2.4%的相对不确定度确定弱混合角，探测至7.5 TeV量级的新物理，这将是迄今为止对轻子扇区中味量子数和CP守恒的中性流相互作用最灵敏的检验。

ABSTRACT

The physics case and an experimental overview of the MOLLER (Measurement Of a Lepton Lepton Electroweak Reaction) experiment at the 12 GeV upgraded Jefferson Lab are presented. A highlight of the Fundamental Symmetries subfield of the 2007 NSAC Long Range Plan was the SLAC E158 measurement of the parity-violating asymmetry $A_{PV}$ in polarized electron-electron (Møller) scattering. The proposed MOLLER experiment will improve on this result by a factor of five, yielding the most precise measurement of the weak mixing angle at low or high energy anticipated over the next decade. This new result would be sensitive to the interference of the electromagnetic amplitude with new neutral current amplitudes as weak as $\sim 10^{-3}\cdot G_F$ from as yet undiscovered dynamics beyond the Standard Model. The resulting discovery reach is unmatched by any proposed experiment measuring a flavor- and CP-conserving process over the next decade, and yields a unique window to new physics at MeV and multi-TeV scales, complementary to direct searches at high energy colliders such as the Large Hadron Collider (LHC). The experiment takes advantage of the unique opportunity provided by the upgraded electron beam energy, luminosity, and stability at Jefferson Laboratory and the extensive experience accumulated in the community after a round of recent successfully completed parity-violating electron scattering experiments

研究动机与目标

• 在Møller散射中以2.4%的相对精度测量宇称破坏不对称性$A_{PV}$，相比E158实验的精度提升五倍。
• 通过有效四费米子相互作用探测新物理，灵敏度可达$1.5 \times 10^{-3} G_F$的矩阵元，对应标度$\Lambda/g = 7.5$ TeV。
• 通过以$\pm 0.00028$的精度测量$\sin^2\theta_W$，解决世界平均值中$\sin^2\theta_W$的3$\sigma$不一致问题，精度与目前最佳的低能和对撞机探测结果相当。
• 通过探测味量子数和CP守恒的新物理（如轻型暗物质媒介子或双荷标量）提供独一无二且互补的探测手段，与LHC搜索形成互补。

提出的方法

• 利用升级后的杰弗生实验室12 GeV装置提供的11 GeV极化电子束，在Hall A中进行Møller散射实验。
• 采用环形磁铁谱仪，将散射电子聚焦至28.5米外的分段焦平面，实现径向和方位角分辨率。
• 使用积分型（电流模式）石英探测器，配合光电倍增管和空气芯光导，实现高动态范围和低噪声的$A_{PV}$测量。
• 实施径向分段，划分为六个环（R1–R6），其中R5为84段精细分段，用于主Møller信号测量，其余环用于背景测量。
• 使用前向探测器监测束流和靶的波动，利用Pb玻璃/GEM探测器测量强子背景的稀释度和不对称性。
• 在积分探测器上游使用低电流GEM跟踪探测器进行校准运行，以重建电子轨迹和动量分布。

实验结果

研究问题

• RQ1 在低能条件下，电子-电子散射中宇称破坏不对称性$A_{PV}$的最精确测量能达到何种水平？
• RQ2 MOLLER实验对超出标准模型的中性流相互作用的灵敏度如何，特别是对$\Lambda/g \sim 7.5$ TeV的耦合？
• RQ3 MOLLER实验能否通过以$\pm 0.00028$的精度测量$\sin^2\theta_W$来解决其世界平均值中的3$\sigma$差异？
• RQ4 MOLLER实验对味量子数和CP守恒的新物理（如轻型暗物质媒介子或双荷标量）的发现潜力如何？
• RQ5 在探测轻子中性流方面，MOLLER测量的灵敏度与未来直线对撞机或中微子工厂实验相比如何？

主要发现

• MOLLER实验旨在以0.7 ppb的精度测量宇称破坏不对称性$A_{PV}$，对应电子弱电荷的2.4%相对不确定度。
• 在MOLLER实验构型下，$A_{PV}$的理论预测约为33 ppb，理论不确定度在假设标准模型希格斯玻色子质量为126 GeV时低于0.2 ppb。
• 实验对有效耦合小至$1.5 \times 10^{-3} G_F$的新物理敏感，对应标度$\Lambda/g = 7.5$ TeV。
• 焦平面的径向分段设计可同时测量Møller信号（位于R5环）和相邻环中的不可约$ep$弹性与非弹性背景不对称性。
• 基于石英的积分探测器原型测试已实现每事件超过25个光电子，且过剩噪声低于4%，超过MOLLER的规格要求。
• MOLLER实验是迄今为止对纯粹轻子扇区中味量子数和CP守恒的中性流相互作用最灵敏的低能探测手段，无其他计划中的设施可与之匹敌。