[論文レビュー] Compact storage ring to search for the muon electric dipole moment

Andreas Adelmann, K. Kirch+2 more|arXiv (Cornell University)|Jun 15, 2006

Computational Physics and Python Applications参考文献 1被引用数 5

ひとこと要約

本論文は、0.5 m未塔の軌道半径を有するコンactなストレージリングを提案し、『フローズンスピン』技術を用いてミューオンの電気双極子モーメント（EDM）を測定する。既存のミューオン施設で1年間のデータ取得により統計的感度が $5 \times 10^{-23}~{}\text{e~{}cm}$ に達し、将来の高強度源では $5 \times 10^{-25}~{}\text{e~{}cm}$ にまで向上する可能性があり、電荷を帯びた粒子のEDM探査の実現可能性を示している。

ABSTRACT

We present the concept of a compact storage ring of less than 0.5 m orbit radius to search for the electric dipole moment of the muon ($d_μ$) by adapting the "frozen spin" method. At existing muon facilities a statistics limited sensitivity of $d_μ\sim 5 imes 10^{-23} \ecm$ can be achieved within one year of data taking. Reaching this precision would demonstrate the viability of this novel technique to directly search for charged particle EDMs and already test a number of Standard Model extensions. At a future, high-power muon facility a statistical reach of $d_μ\sim 5 imes 10^{-25} \ecm$ seems realistic with this setup.

研究の動機と目的

• 標準模型を超える新しい物理を解明する鍵となるミューオン電気双極子モーメント（EDM）を直接測定するため、コンactでテーブルトップ規模のストレージリングを構築すること。
• 特にミューオンを対象として、小型で高精度な環境下における荷電粒子に対する『フローズンスピン』法の実現可能性を示すこと。
• 現在の最高限界である $1.8 \times 10^{-19}~{}\text{e~{}cm}$ よりも3桁以上感度を向上させること。
• フラーバー破れやCP対称性破れを示唆する新しい物理がミューオンEDMを強化すると予測するモデルを、$g-2$ 異常の動向を踏まえてテストすること。
• 将来の高出力ミューオン源で $5 \times 10^{-25}~{}\text{e~{}cm}$ の感度に到達可能なスケーラブルな実験フレームワークを確立すること。

提案手法

• 実験は、軌道半径が0.5 m未塔のコンactなストレージリングを用い、ミューオンを磁場内に閉じ込めつつ、異常磁気モーメントの進化をキャンセルするための径方向電場を印加する。
• 『フローズンスピン』技術は、径方向電場を $E \simeq aB\beta\gamma^2$ に調整することで、$g-2$ の進化を抑制し、唯一の残存スピン進化は非ゼロのEDMに起因するものに限定する。
• EDM信号は、陽電子崩壊生成物の上方向と下方向のカウントの非対称性を測定することで得られ、$d_{\mu} \neq 0$ の場合、時間とともに線形に増加し、その割合は $\eta \propto d_{\mu}$ に比例する。
• 系統誤差を最小限に抑えて統計的支配の感度を確保するため、ミューオンを1個ずつ注入する方式を採用する。
• 残留縦磁場や検出器のずれに起因する系統誤差は解析され、きびしいが達成可能な磁場および位置安定性要件のもとで制御可能であることが示された。
• 信号対雑音比を最適化し、バックグラウンド抑制を可能にするために、実験サイクルはおよそ2つのミューオン寿命に設定されている。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 軌道半径が0.5 m未塔のコンactなストレージリングは、統計的不確実性が $10^{-23}~{}\text{e~{}cm}$ 未塔に達する十分な感度を発揮できるか？
• RQ2 小型で高磁場環境下において、ミューオンのような荷電粒子に対して『フローズンスピン』技術が実用可能か？
• RQ3 感度が $5 \times 10^{-23}~{}\text{e~{}cm}$ に達するためには、磁場の不均一性および検出器のずれに起因する系統誤差をどの程度許容できるか？
• RQ4 残留縦磁場やビーム位置のドリフトに起因する偽のEDM信号を、真のEDM信号と明確に区別できるか？
• RQ5 1バッチあたり $10^4$ 個のミューオンと100 kHzの繰り返しレートを持つ将来の高強度ミューオン源にスケーリングした場合、感度の向上はどの程度見込まれるか？

主な発見

• 1つのミューオンずつを注入する方式を用いることで、既存のミューオン施設（例：PSI µE1ビームライン）で1年間のデータ取得により、ミューオンEDMの感度が $5 \times 10^{-23}~{}\text{e~{}cm}$ に達することが可能である。
• この感度は、現在の最高限界である $1.8 \times 10^{-19}~{}\text{e~{}cm}$ よりも3桁以上優れている。
• 将来の高出力ミューオン施設（1バッチあたり $10^4$ 個のミューオン、100 kHzの繰り返しレート）では、統計的感度が $5 \times 10^{-25}~{}\text{e~{}cm}$ に現実的に到達可能である。
• 縦磁場に起因する系統誤差は、$B_L/B_T < 6 \times 10^{-9}$ に制限され、統計的不確実性と一致させる。これは13 mAの電流または2.5 GV/m/sの磁場変化率に対応する。
• ビーム位置のドリフトは、$d\delta/dt < 0.1~\mu\text{m}/\gamma\tau$ に制限され、偽のEDM信号を回避できる。偽信号の運動量依存性は真の信号と区別可能である。
• コンactな設計により、磁場のシャッピングと系統誤差の制御が簡素化され、大型リングと比較して許容誤差を緩和しつつも、必要な精度を達成可能である。