[论文解读] The muon $g$-$2$ experiment at Fermilab

W. Gohn|arXiv (Cornell University)|Nov 15, 2016

Particle physics theoretical and experimental studies参考文献 16被引用 8

一句话总结

费米实验室μ子g-2实验将μ子反常磁矩的测量精度提升至比此前布鲁克海文E821实验高4倍，目标不确定性为140 ppb。通过使用21倍更大的数据集并增强系统误差控制，若现有3.5σ的张力持续存在，该实验可能揭示与标准模型的7.5σ差异，暗示存在超出标准模型的新物理。

ABSTRACT

A new measurement of the anomalous magnetic moment of the muon, $a_μ \equiv (g-2)/2$, will be performed at the Fermi National Accelerator Laboratory with data taking beginning in 2017. The most recent measurement, performed at Brookhaven National Laboratory and completed in 2001, shows a 3.5 standard deviation discrepancy with the standard model prediction of $a_μ$. The new measurement will accumulate 21 times those statistics using upgraded detection and storage ring systems, enabling a measurement of $a_μ$ to 140 ppb, a factor of 4 improvement in the uncertainty the previous measurement. This improvement in precision, combined with recent and ongoing improvements in the evaluation of the QCD contributions to the $a_μ$, could provide a 7.5$σ$ discrepancy from the standard model if the current difference between experiment and theory is confirmed, a possible indication of new physics.

研究动机与目标

• 以比布鲁克海文国家实验室此前的E821实验高4倍的精度测量μ子反常磁矩$a_\mu$。
• 检验测量得到的$a_\mu$与标准模型预测之间3.5σ的差异，该差异可能暗示存在新物理。
• 将$\omega_a$和$\omega_p$的系统不确定度降低至各自70 ppb以内，以实现对标准模型的决定性检验。
• 通过格点QCD和实验获得的强子截面数据，改进$a_\mu^{QCD}$的理论不确定性。
• 对μ子电偶极矩进行高精度测量，灵敏度相比以往提升两个数量级。

提出的方法

• 将极化的μ子注入超导储存环中，其磁场精确控制在1.45 T，调整至‘魔法动量’，以最小化洛伦兹力引起的自旋进动。
• 通过24个分段式量热计（采用PbF₂切伦科夫晶体和硅光电倍增管）测量正电子衰变的角分布，测定μ子自旋进动频率$\omega_a$。
• 利用核磁共振（NMR）探针测量磁场$B$；通过比值$\omega_a / \omega_p$，使用公式$a_\mu = \frac{\omega_a / \omega_p}{\mu_\mu / \mu_p - \omega_a / \omega_p}$提取$a_\mu$。
• 通过铁质屏蔽、表面校正线圈以及搭载在小车上的NMR探针系统实现磁场均匀性，每轮运行完成6,000次磁场测量，校准精度达35 ppb。
• 通过激光校准量热计、改进的追踪器与准直器设计，以及对外部磁场扰动的主动反馈，降低系统误差。
• 数据获取采用基于GPU的波形数字化仪，采样率达800 MHz，实现实时堆叠抑制和高保真信号重建。

实验结果

研究问题

• RQ1 若精度提升4倍，能否确认测量得到的$a_\mu$与标准模型预测之间存在的3.5σ差异？
• RQ2 新物理贡献（如暗光子或超对称）对μ子反常磁矩有何影响？
• RQ3 格点QCD计算在多大程度上可减少强子真空极化与轻子对轻子散射贡献的理论不确定性？
• RQ4 能否将$\omega_a$和$\omega_p$的系统不确定度降低至70 ppb以下，从而实现对标准模型的决定性检验？
• RQ5 该实验对μ子电偶极矩的灵敏度如何？能否实现相比以往极限的两个数量级提升？

主要发现

• 实验实现了磁场均匀性，方位角不均匀性降低至50 ppm，满足系统误差预算要求。
• 费米实验室μ子g-2实验预计可将$a_\mu$的实验不确定性降低至140 ppb，相比此前E821测量提升4倍。
• 预计$a_\mu$的理论不确定性将改善至310 ppb，主要得益于格点QCD和新的强子截面数据。
• 若E821的中心值得到确认，该实验设计可使$a_\mu$差异的显著性提升至超过7.5σ。
• μ子电偶极矩的灵敏度将提升两个数量级，达到约10^{-21} e·cm的精度。
• NMR小车系统完成校准，精度达35 ppb，探测器调试工作已提前开始，为2017年数据采集做准备。