The anomalous magnetic dipole moment of the muon can be both measured and computed to very high precision, making it a powerful probe to test the standard model and search for new physics such as SUSY. The previous measurement by the Brookhaven E821 experiment found a ~3 standard deviation discrepancy from the predicted value. The new g-2 experiment at Fermilab will improve the precision by a factor of four through a factor of twenty increase in statistics and a reduced systematic uncertainties with an upgraded apparatus. A central component to reach this fourfold improvement in accuracy is the high-precision laser calibration system, which is designed to monitor the gain fluctuations of the calorimeters (photo-detectors) at 0.04% accuracy during the time muons are revolving inside the storage ring (700 μsec). Over longer data collection periods the goal is to keep systematics contributions due to gain fluctuations at the sub-percent level. The experiment will also carry out an improved measurement of the muon electric dipole moment. BNL statistics has already been crossed in Run-1 (JUL. 2017 - OCT. 2018). The laser calibration pulses are also used (prior to data taking), to simulate physics events and to test the calorimeters. We report here the current status of the experiment, and specifically the laser calibration system, and some results with real data.

1. Motivazione
Estrazione di ωa il famoso "wiggle plot"
Contributo Italiano
Stato attuale e futuro
Incontri di Fisica delle Alte Energia
Fermilab Muon g − 2 Experiment: Current Status
Atanu Nath
(Collaborazione Muon g − 2)
Incontri di Fisica delle Alte Energie 2019
08 aprile 2019
Università degli Studi di Napoli Federico II
A. Nath | 08 Aprile 2019 IFAE 2019 | 8 - 10 Aprile 2019 Fermilab Muon g − 2 Experiment: Current Status 1 / 37

2. Motivazione
Estrazione di ωa il famoso "wiggle plot"
Contributo Italiano
Stato attuale e futuro
Incontri di Fisica delle Alte Energia
Che cos’è g − 2 e perché è importante?
Il momento magnetico µ di un lepton di spin S , massa m e carica e è
µ = g e
2m
S
L’equazione di Dirac dice g = 2, Ma sappiamo che non lo è 1
! La differenza è
definita come:
anomalia: a = (g − 2)/2
che proviene da quantum loops. Ma perché è così interessante?
Perché può essere calcolata e misurata in modo molto preciso.
E va come ∼ m2
/Λ2
scale , questa quantità è uno strumento eccellente
per testare il Modello Standard, e anche per sondare la nuova fisica.
Ma ci sono delle sfide da affrontare...
1
Se fosse uguale, 2S1/2 e 2P1/2 di idrogeno sarebbero degenerati.
A. Nath | 08 Aprile 2019 IFAE 2019 | 8 - 10 Aprile 2019 Fermilab Muon g − 2 Experiment: Current Status 2 / 37

3. Motivazione
Estrazione di ωa il famoso "wiggle plot"
Contributo Italiano
Stato attuale e futuro
Incontri di Fisica delle Alte Energia
Sfide teoriche
I contributi all’anomalia vengono dai diagrammi:
Ma...
A. Nath | 08 Aprile 2019 IFAE 2019 | 8 - 10 Aprile 2019 Fermilab Muon g − 2 Experiment: Current Status 3 / 37

4. Motivazione
Estrazione di ωa il famoso "wiggle plot"
Contributo Italiano
Stato attuale e futuro
Incontri di Fisica delle Alte Energia
Sfide teoriche
QCD presenta una complicazione:
I contributi adronici introducono maggiori incertezze! Nel tardo pomereggio
Dott. R. Pilato (di MU-on-E) parlerà di questo.
Ma ancora, perché l’anomalia del muone è così intrigante?
A. Nath | 08 Aprile 2019 IFAE 2019 | 8 - 10 Aprile 2019 Fermilab Muon g − 2 Experiment: Current Status 4 / 37

5. Motivazione
Estrazione di ωa il famoso "wiggle plot"
Contributo Italiano
Stato attuale e futuro
Incontri di Fisica delle Alte Energia
Perché g − 2
Vediamo dove siamo oggi...
Media mondiale di
aµ × 1010
:
sperimentale
11659209(5.4)(3.3)
Teorico
11659red182.04 ± 3.6.
Discrepanza di ∼ 3.7σ
sigma.
Fermilab punta a un
miglioramento della
precisione di 4 volte.
Keshvarzi et al, Phys. Rev. D 97, 114025
(2018)
A. Nath | 08 Aprile 2019 IFAE 2019 | 8 - 10 Aprile 2019 Fermilab Muon g − 2 Experiment: Current Status 5 / 37

6. Motivazione
Estrazione di ωa il famoso "wiggle plot"
Contributo Italiano
Stato attuale e futuro
Incontri di Fisica delle Alte Energia
Perché g − 2
Vediamo dove siamo oggi...
Media mondiale di
aµ × 1010
:
sperimentale
11659209(5.4)(3.3)
Teorico
11659182.04 ± 3.6.
Discrepanza di ∼ 3.7σ
sigma.
Questa non è una scoperta
ma abbastanza intrigante.
Keshvarzi et al, Phys. Rev. D 97, 114025
(2018)
A. Nath | 08 Aprile 2019 IFAE 2019 | 8 - 10 Aprile 2019 Fermilab Muon g − 2 Experiment: Current Status 6 / 37

7. Motivazione
Estrazione di ωa il famoso "wiggle plot"
Contributo Italiano
Stato attuale e futuro
Incontri di Fisica delle Alte Energia
Perché g − 2
Vediamo dove siamo oggi...
Media mondiale di
aµ × 1010
:
sperimentale
11659209(5.4)(3.3)
Teorico
11659182.04 ± 3.6.
Fermilab (E989) punta a
un miglioramento della
precisione di 4 volte
rispetto a BNL (821).
Quindi se il valore centrale
non cambia...
Keshvarzi et al, Phys. Rev. D 97, 114025
(2018)
ci aspettiamo 7σ, quindi è una scoperta di nuova fisica.
A. Nath | 08 Aprile 2019 IFAE 2019 | 8 - 10 Aprile 2019 Fermilab Muon g − 2 Experiment: Current Status 7 / 37

8. Motivazione
Estrazione di ωa il famoso "wiggle plot"
Contributo Italiano
Stato attuale e futuro
Incontri di Fisica delle Alte Energia
Panoramica dell’esperimento
Il principio di base è sempre lo stesso:
I muoni polarizzati (spin lungo la
direzione del impulso) ruotano
all’interno dell’anello di
accumulazione, in cui è presenta
un campo magnetico B, e
decadono in positroni.
A. Nath | 08 Aprile 2019 IFAE 2019 | 8 - 10 Aprile 2019 Fermilab Muon g − 2 Experiment: Current Status 8 / 37

9. Motivazione
Estrazione di ωa il famoso "wiggle plot"
Contributo Italiano
Stato attuale e futuro
Incontri di Fisica delle Alte Energia
"Lord of the rings"
A causa dell’interazione debole, i
positroni di alta energia vengono
emessi (prevalentemente) nella
direzione dello spin del muone.
A. Nath | 08 Aprile 2019 IFAE 2019 | 8 - 10 Aprile 2019 Fermilab Muon g − 2 Experiment: Current Status 9 / 37

10. Motivazione
Estrazione di ωa il famoso "wiggle plot"
Contributo Italiano
Stato attuale e futuro
Incontri di Fisica delle Alte Energia
La precessione della direzione della emissione
La precessione dello spin del
muone (in campo B) causa la
precessione della direzione degli
emissione dei positroni.
A. Nath | 08 Aprile 2019 IFAE 2019 | 8 - 10 Aprile 2019 Fermilab Muon g − 2 Experiment: Current Status 10 / 37

11. Motivazione
Estrazione di ωa il famoso "wiggle plot"
Contributo Italiano
Stato attuale e futuro
Incontri di Fisica delle Alte Energia
Precessione...(Caso g = 2), Ricorda: aµ = (gµ − 2)/2
Frequenza del ciclotrone e del Larmor:
ωC = −eB/mµγ, ωS = −g
eB
2mµ
− (1 − γ)
eB
mµγ
E la differenza:
ωa = ωS − ωC = aµ
eB
mµ
g = 2 implica NO oscillazione del
numero di positroni rivelati.
A. Nath | 08 Aprile 2019 IFAE 2019 | 8 - 10 Aprile 2019 Fermilab Muon g − 2 Experiment: Current Status 11 / 37

12. Motivazione
Estrazione di ωa il famoso "wiggle plot"
Contributo Italiano
Stato attuale e futuro
Incontri di Fisica delle Alte Energia
Precessione...(Caso g > 2), Ricorda: aµ = (gµ − 2)/2
12° per giro , ha bisogno di 30
giri per tornare allo stesso angolo:
implica 30×149 ns 4.5 µs .
ωa = aµ
eB
mµ
g maggiore di 2 implica
un’oscillazione del numero di
positroni rilevati.
Ma la vita reale è un po ’difficile!
A. Nath | 08 Aprile 2019 IFAE 2019 | 8 - 10 Aprile 2019 Fermilab Muon g − 2 Experiment: Current Status 12 / 37

13. Motivazione
Estrazione di ωa il famoso "wiggle plot"
Contributo Italiano
Stato attuale e futuro
Incontri di Fisica delle Alte Energia
Quads...
Cè bisogno di un campo elettrico
per la focalizaione verticale del
fascio ...
ma implica un’equazione
complicata!
Ma c’è speranza ...
Focalizzazione verticale
ωa = −
e
mµ
aµB − aµ −
1
γ2 − 1
β × E
c
A. Nath | 08 Aprile 2019 IFAE 2019 | 8 - 10 Aprile 2019 Fermilab Muon g − 2 Experiment: Current Status 13 / 37

14. Motivazione
Estrazione di ωa il famoso "wiggle plot"
Contributo Italiano
Stato attuale e futuro
Incontri di Fisica delle Alte Energia
Impulso magico...
ωa = −
e
mµ
aµB − aµ −
1
γ2 − 1
β × E
c
Un valore specifico di γ (29.3)
porta alla cancellazione del
coefficiente del termine
proporzionale campo elettrico, che
corrisponde a un impuslo specifico
di 3.094 GeV /c (è il famoso
Impulso magico).
B è misurato con la frequenza
NMR: ωp = 2 µp B
A. Nath | 08 Aprile 2019 IFAE 2019 | 8 - 10 Aprile 2019 Fermilab Muon g − 2 Experiment: Current Status 14 / 37

15. Motivazione
Estrazione di ωa il famoso "wiggle plot"
Contributo Italiano
Stato attuale e futuro
Incontri di Fisica delle Alte Energia
Impulso magico...
Quindi, la formula finale è
aµ =
mµ
e|B|
ωa
B è misurato con la frequenza NMR:
ωp = 2 µp B
B < 1.5 ppm (Target < 1 ppm )
A. Nath | 08 Aprile 2019 IFAE 2019 | 8 - 10 Aprile 2019 Fermilab Muon g − 2 Experiment: Current Status 15 / 37

16. Motivazione
Estrazione di ωa il famoso "wiggle plot"
Contributo Italiano
Stato attuale e futuro
Incontri di Fisica delle Alte Energia
Estrazione di ωa il famoso "wiggle plot"
Prima misura di ωa, 2017
104
e+
, 0.1% precisione .
60 ore di dati, 2018
109
e+
, 1.2 ppm .
"The Fit"
N(E, t) ∝ e−t/γτµ
[1 − A(E, t) cos(ωat + φ)]
La conoscenza della frequenza implica la conoscenza dell’anomalia...Però...
A. Nath | 08 Aprile 2019 IFAE 2019 | 8 - 10 Aprile 2019 Fermilab Muon g − 2 Experiment: Current Status 16 / 37

17. Motivazione
Estrazione di ωa il famoso "wiggle plot"
Contributo Italiano
Stato attuale e futuro
Incontri di Fisica delle Alte Energia
Blinding
"Blinding" assoluto
La frequenza del digitizzatore è
stata modificata di una quantità
(∆Ra) nell’intervallo di
± 25 ppm .
E questo spostamento è
sconosciuto a tutti gli analizzatori.
"Blinding" relativo
Esiste anche un altro tipo di
spostamento (∆Rp (privato)),
diverso per gruppi diversi.
Un gruppo non conosce il ∆Rp
dell’altro gruppo, fino a una data
decisa.
ωa(R) = 2π 0.2291 MHz 1 + (R − ∆Ra − ∆Rp) × 10−6
A. Nath | 08 Aprile 2019 IFAE 2019 | 8 - 10 Aprile 2019 Fermilab Muon g − 2 Experiment: Current Status 17 / 37

18. Motivazione
Estrazione di ωa il famoso "wiggle plot"
Contributo Italiano
Stato attuale e futuro
Incontri di Fisica delle Alte Energia
Stato attuale: "UN-Blinding Relativo" di Febbraio 2019
Prima del "UN-Blinding Relativo"
" Relative Un-Blinding "
Workshop di febbraio, 2019.
Ricostruzioni indipendenti.
Diversi metodi di " fitting ".
Diversi trattamenti degli effetti
del rivelatore.
Facciamo "UN-Blinding (Relativo)"
A. Nath | 08 Aprile 2019 IFAE 2019 | 8 - 10 Aprile 2019 Fermilab Muon g − 2 Experiment: Current Status 18 / 37

19. Motivazione
Estrazione di ωa il famoso "wiggle plot"
Contributo Italiano
Stato attuale e futuro
Incontri di Fisica delle Alte Energia
Stato attuale: "UN-Blinding Relativo" di Febbraio 2019
Dopo il "UN-Blinding Relativo"
" Relative Un-Blinding "
Workshop di febbraio, 2019.
Ricostruzioni indipendenti.
Diversi metodi di " fitting ".
Diversi trattamenti degli effetti
del rivelatore.
Sono tutti d’accordo con l’incertezza statistica consentita.
A. Nath | 08 Aprile 2019 IFAE 2019 | 8 - 10 Aprile 2019 Fermilab Muon g − 2 Experiment: Current Status 19 / 37

20. Motivazione
Estrazione di ωa il famoso "wiggle plot"
Contributo Italiano
Stato attuale e futuro
Incontri di Fisica delle Alte Energia
Sistematici e migliormenti
L’obiettivo del Fermilab (E989) è 140 ppb , rispetto a 540 ppb di BNL
(E821).
E989 obiettivi
Incertezze Target
Incertezza Relativa al fascio < 50 ppb
Muoni perduti 20 ppb
CBO 30 ppb
E-field e correzione di pitch 30 ppb
al rivelatore < 50 ppb
Gain changes 20 ppb
Pileup 40 ppb
Totale < 70 ppb
Gain Correction
Contributo italiano
A. Nath | 08 Aprile 2019 IFAE 2019 | 8 - 10 Aprile 2019 Fermilab Muon g − 2 Experiment: Current Status 20 / 37

21. Motivazione
Estrazione di ωa il famoso "wiggle plot"
Contributo Italiano
Stato attuale e futuro
Incontri di Fisica delle Alte Energia
Sistematici e migliormenti
L’obiettivo del Fermilab (E989) è 140 ppb , rispetto a 540 ppb di BNL
(E821).
E989 obiettivi
Incertezze Target
Incertezza Relativa al fascio < 50 ppb
Muoni perduti 20 ppb
CBO 30 ppb
E-field e correzione di pitch 30 ppb
al rivelatore < 50 ppb
Gain changes 20 ppb
Pileup 40 ppb
Totale < 70 ppb
Gain Correction
Subito dopo un evento, il guadagno dei
calorimetri diminuisce e richiede alcune
decine di microsecondi per il recupero.
L’INFN sta costruendo questa funzione
di guadagno per correggere i dati fisici.
A. Nath | 08 Aprile 2019 IFAE 2019 | 8 - 10 Aprile 2019 Fermilab Muon g − 2 Experiment: Current Status 21 / 37

22. Motivazione
Estrazione di ωa il famoso "wiggle plot"
Contributo Italiano
Stato attuale e futuro
Incontri di Fisica delle Alte Energia
Systema di Calibrazione Laser Italiani
Mandiamo impulsi laser di energia nota al calorimetro durante le corse dei muoni
(In-Fill) e anche quando non c’è il fascio (Out-of-Fill).
Monitoriamo gli impulsi laser all’inizio (Source Monitoring)
e anche alla fine poco prima che entrino nei calorimetri (local Monitoring).
Confrontiamo l’energia misurata dai calorimetri con i valori ottenuti dai monitor, e
costruiamo 24×54 = 1296 " funzioni di guadagno Gi(E, t) " per 54 cristalli per
calorimetro (24), gli analizzatori applicano questi ai dati positroni.
"In-Fill" "Out-of-Fill"
A. Nath | 08 Aprile 2019 IFAE 2019 | 8 - 10 Aprile 2019 Fermilab Muon g − 2 Experiment: Current Status 22 / 37

23. Motivazione
Estrazione di ωa il famoso "wiggle plot"
Contributo Italiano
Stato attuale e futuro
Incontri di Fisica delle Alte Energia
Status e programmi...
Abbiamo superato la statistica del
BNL.
Analisi di tutto il Run-1 in corso.
Revisione interna finale è previsto per
questa estate all’Elba.
Probabilmente alcuni risultati a
settembre in FCCP (Capri)
G-2aµzie+
2018 status di Run-1
Credits: Some of the graphics were taken from Moriond 2019 (Fienberg)
A. Nath | 08 Aprile 2019 IFAE 2019 | 8 - 10 Aprile 2019 Fermilab Muon g − 2 Experiment: Current Status 23 / 37

24. Motivazione
Estrazione di ωa il famoso "wiggle plot"
Contributo Italiano
Stato attuale e futuro
Incontri di Fisica delle Alte Energia
BACKUP SLIDES
A. Nath | 08 Aprile 2019 IFAE 2019 | 8 - 10 Aprile 2019 Fermilab Muon g − 2 Experiment: Current Status 24 / 37

25. Motivazione
Estrazione di ωa il famoso "wiggle plot"
Contributo Italiano
Stato attuale e futuro
Incontri di Fisica delle Alte Energia
Collaborazione
A. Nath | 08 Aprile 2019 IFAE 2019 | 8 - 10 Aprile 2019 Fermilab Muon g − 2 Experiment: Current Status 25 / 37

26. Motivazione
Estrazione di ωa il famoso "wiggle plot"
Contributo Italiano
Stato attuale e futuro
Incontri di Fisica delle Alte Energia
Formula Finale
A. Nath | 08 Aprile 2019 IFAE 2019 | 8 - 10 Aprile 2019 Fermilab Muon g − 2 Experiment: Current Status 26 / 37

27. Motivazione
Estrazione di ωa il famoso "wiggle plot"
Contributo Italiano
Stato attuale e futuro
Incontri di Fisica delle Alte Energia
Migliormenti
A. Nath | 08 Aprile 2019 IFAE 2019 | 8 - 10 Aprile 2019 Fermilab Muon g − 2 Experiment: Current Status 27 / 37

28. Motivazione
Estrazione di ωa il famoso "wiggle plot"
Contributo Italiano
Stato attuale e futuro
Incontri di Fisica delle Alte Energia
Termine Breve (Gain)
A. Nath | 08 Aprile 2019 IFAE 2019 | 8 - 10 Aprile 2019 Fermilab Muon g − 2 Experiment: Current Status 28 / 37

29. Motivazione
Estrazione di ωa il famoso "wiggle plot"
Contributo Italiano
Stato attuale e futuro
Incontri di Fisica delle Alte Energia
Termine Breve (Gain)
A. Nath | 08 Aprile 2019 IFAE 2019 | 8 - 10 Aprile 2019 Fermilab Muon g − 2 Experiment: Current Status 29 / 37

30. Motivazione
Estrazione di ωa il famoso "wiggle plot"
Contributo Italiano
Stato attuale e futuro
Incontri di Fisica delle Alte Energia
Treckers
A. Nath | 08 Aprile 2019 IFAE 2019 | 8 - 10 Aprile 2019 Fermilab Muon g − 2 Experiment: Current Status 30 / 37

31. Motivazione
Estrazione di ωa il famoso "wiggle plot"
Contributo Italiano
Stato attuale e futuro
Incontri di Fisica delle Alte Energia
Treckers
A. Nath | 08 Aprile 2019 IFAE 2019 | 8 - 10 Aprile 2019 Fermilab Muon g − 2 Experiment: Current Status 31 / 37

32. Motivazione
Estrazione di ωa il famoso "wiggle plot"
Contributo Italiano
Stato attuale e futuro
Incontri di Fisica delle Alte Energia
L’anello del accumulazione
A. Nath | 08 Aprile 2019 IFAE 2019 | 8 - 10 Aprile 2019 Fermilab Muon g − 2 Experiment: Current Status 32 / 37

33. Motivazione
Estrazione di ωa il famoso "wiggle plot"
Contributo Italiano
Stato attuale e futuro
Incontri di Fisica delle Alte Energia
Sistema Calibrazione del’Laser
A. Nath | 08 Aprile 2019 IFAE 2019 | 8 - 10 Aprile 2019 Fermilab Muon g − 2 Experiment: Current Status 33 / 37

34. Motivazione
Estrazione di ωa il famoso "wiggle plot"
Contributo Italiano
Stato attuale e futuro
Incontri di Fisica delle Alte Energia
Gain Correzione
A. Nath | 08 Aprile 2019 IFAE 2019 | 8 - 10 Aprile 2019 Fermilab Muon g − 2 Experiment: Current Status 34 / 37

35. Motivazione
Estrazione di ωa il famoso "wiggle plot"
Contributo Italiano
Stato attuale e futuro
Incontri di Fisica delle Alte Energia
SM
A. Nath | 08 Aprile 2019 IFAE 2019 | 8 - 10 Aprile 2019 Fermilab Muon g − 2 Experiment: Current Status 35 / 37

36. Motivazione
Estrazione di ωa il famoso "wiggle plot"
Contributo Italiano
Stato attuale e futuro
Incontri di Fisica delle Alte Energia
LM
A. Nath | 08 Aprile 2019 IFAE 2019 | 8 - 10 Aprile 2019 Fermilab Muon g − 2 Experiment: Current Status 36 / 37

37. Motivazione
Estrazione di ωa il famoso "wiggle plot"
Contributo Italiano
Stato attuale e futuro
Incontri di Fisica delle Alte Energia
TEMP
A. Nath | 08 Aprile 2019 IFAE 2019 | 8 - 10 Aprile 2019 Fermilab Muon g − 2 Experiment: Current Status 37 / 37