[论文解读] The New Muon g-2 experiment at Fermilab

G. Venanzoni|arXiv (Cornell University)|Nov 10, 2014

Particle physics theoretical and experimental studies参考文献 1被引用 8

一句话总结

费米实验室E989实验旨在以0.14 ppm的精度测量μ子反常磁矩，相比布魯克海文国家实验室E821实验的精度提升四倍。通过在费米实验室重新利用布鲁克海文的储存环，采用先进探测器、改进的束流控制以及降低系统不确定性，该实验旨在确认或解决标准模型预测与以往测量之间存在的3σ差异，从而可能揭示标准模型之外的新物理。

ABSTRACT

There is a long standing discrepancy between the Standard Model prediction for the muon g-2 and the value measured by the Brookhaven E821 Experiment. At present the discrepancy stands at about three standard deviations, with a comparable accuracy between experiment and theory. Two new proposals -- at Fermilab and J-PARC -- plan to improve the experimental uncertainty by a factor of 4, and it is expected that there will be a significant reduction in the uncertainty of the Standard Model prediction. I will review the status of the planned experiment at Fermilab, E989, which will analyse 21 times more muons than the BNL experiment and discuss how the systematic uncertainty will be reduced by a factor of 3 such that a precision of 0.14 ppm can be achieved.

研究动机与目标

• 解决测量得到的μ子g-2与标准模型预测之间长期存在的3σ差异。
• 相比布鲁克海文国家实验室E821实验，将实验精度提高四倍。
• 通过改进的束流控制和探测器设计，将系统不确定性降低三倍。
• 通过高精度测量μ子的反常磁矩，检验标准模型之外的新物理。
• 同时测量μ子电偶极矩，并检验CPT或洛伦兹对称性是否破坏。

提出的方法

• 在费米实验室重新利用布鲁克海文E821实验的储存环磁铁，重新安装于新的、稳定且温度受控的MC-1建筑中。
• 使用高强度质子束产生π介子，其衰变为μ子，再通过超导聚焦磁铁将μ子注入储存环。
• 采用氟化铅（PbF2）晶体电磁量能器配合硅光电倍增管（SiPM）读出系统，实现精确的能量与时间测量。
• 在真空中使用管状漂移室追踪μ子，并支持对μ子电偶极矩的并行测量。
• 采用基于现代波形数字化采集系统的数据获取系统，可同时进行事件模式与积分模式分析。
• 通过改进的磁场补偿与磁场测量系统，将磁场系统不确定性的误差降低50%。

实验结果

研究问题

• RQ1 通过提高实验精度，能否确认测量得到的μ子g-2与标准模型预测之间的3σ差异？
• RQ2 通过探测器分段、束流线优化与磁场均匀性改进，系统不确定性在μ子g-2测量中能降低到何种程度？
• RQ3 改进的强子真空极化与光-光散射计算对aμ理论预测的影响如何？
• RQ4 同一组数据能否同时提供μ子电偶极矩的新上限？
• RQ5 从高精度g-2测量中，是否存在CPT或洛伦兹对称性破坏的证据？

主要发现

• 费米实验室的E989实验预计将在μ子g-2测量中实现0.14 ppm的精度，相比布鲁克海文E821实验的0.54 ppm提升四倍。
• 该实验将分析的μ子数量是布鲁克海文E821实验的21倍，显著降低了统计不确定性。
• 通过减少π介子污染、使用分段探测器以及改进打火器性能，μ子进动频率测量的系统不确定性预计将降低三倍。
• 通过改进的补偿技术，磁场均匀性将得到增强，磁场系统误差将降低50%。
• 首次物理数据获取预计于2017年初开始，首个关键里程碑——冷却超导线圈并为储存环供电——已于2015年春季实现。
• 该实验将同时提供μ子电偶极矩的新上限，并对μ子自旋进动中的CPT或洛伦兹对称性破坏进行更严格的检验。