[論文レビュー] Improved Indirect Limits on Muon Electric Dipole Moment

Yohei Ema, Ting Gao+1 more|arXiv (Cornell University)|Jan 1, 2021

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

ひとこと要約

この論文は、重い原子核の強い電場におけるミュオンループ誘発 '光による光' 散乱を介してミュオンの電気双極モーメント（dµ）に及ぼす効果を計算することで、ミュオン電気双極モーメント（dµ）の間接的制約を改善した。E3B有効相互作用を用いて、199Hgからdµ < 6×10⁻²⁰ ecm、ThOからdµ < 2×10⁻²⁰ ecmという新たな制約を導出し、BNL g−2実験からの従来の間接的限界と比較してそれぞれ約3倍および約9倍の改善が得られた。

ABSTRACT

Given current discrepancy in muon g-2 and future dedicated efforts to measure muon electric dipole moment (EDM) dμ, we assess the indirect constraints imposed on dμ by the EDM measurements performed with heavy atoms and molecules. We notice that the dominant muon EDM effect arises via the muon-loop induced “light-by-light” CP-odd amplitude ∝BE3, and in the vicinity of a large nucleus the corresponding parameter of expansion can be significant, eEnucl/mμ2∼0.04. We compute the dμ-induced Schiff moment of the Hg199 nucleus, and the linear combination of de and semileptonic CS operator (dominant in this case) that determine the CP-odd effects in the ThO molecule. The results, dμ(Hg199)&lt;6×10-20 e cm and dμ(ThO)&lt;2×10-20 e cm, constitute approximately threefold and ninefold improvements over the limits on dμ extracted from the Brookhaven National Laboratory muon beam experiment.

研究の動機と目的

• 重い原子および分子における精度の高いEDM実験を用いて、ミュオン電気双極モーメント（dµ）の間接的制約を再評価すること。
• 高Z核におけるミュオンループ誘発CP奇性相互作用、特にE3B有効演算子の影響を評価すること。
• ミュオンループ寄与が強化される199HgおよびThOにおける強い電場を活用して、dµに対する感度を向上させること。
• dµの導出に影響を与える原子核および原子モデルの理論的不確実性を定量化すること。

提案手法

• 強い電場下で有効である、dµ挿入を含む1ループQED図を用いて、ミュオンループ誘発E3B有効相互作用を計算する。
• CP奇性光子相互作用を記述する有効ラグランジアン L_eff = −(dµ/e)(12π²mₘ³)⁻¹ e⁴(E·E)(E·B) を導出する。
• 199HgおよびThOにおけるシュピールモーメント（S）およびCP奇性電子-原子核相互作用（CS）を、原子核および原子の波動関数を用いて計算する。
• 空間的差異を補正するκ要因を求めるために、径方向波動関数を数値的にディラック方程式を解いて計算する。
• 核電荷半径および磁気モーメントの測定値を入力とし、殻模型の限界を補正する。
• 粒子物理学、原子核物理学、原子物理学からの理論的不確実性を推定し、観測量に応じて総合して約15–30%の不確実性を評価する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 強い電場を有する重い原子核中で、ミュオンEDMはどのようにCP奇性相互作用を生成するか？
• RQ2 199HgおよびThOにおけるdµによって誘発されるE3B有効相互作用の強さはどの程度か？
• RQ3 得られたシュピールモーメントおよびCP奇性電子-原子核相互作用は、dµをどのように制約するか？
• RQ4 原子および分子EDM実験からdµの限界を導出する際の主な理論的不確実性は何か？
• RQ5 これらの間接的限界は、BNL g−2実験からの直接的限界と比較してどう異なるか？

主な発見

• 199HgからのミュオンEDMの導出限界は dµ < 6×10⁻²⁰ ecm であり、BNL g−2実験からの従来の間接的限界と比較して約3倍の改善が得られた。
• ThOからの限界は dµ < 2×10⁻²⁰ ecm であり、BNLベースの間接的限界と比較して約9倍の改善が得られた。
• ミュオンループ交換によって強いE場で誘発されるE3B相互作用は、重い系におけるdµ由来のCP奇性効果の主なメカニズムである。
• 核密度とE²演算子分布の空間的不一致を補正するκ要因は、数値的に κ ≃ 0.66 として計算され、原子核モデルによる不確実性が約10%である。
• シュピールモーメント計算における理論的不確実性は約30%であり、主に磁場構造の単純殻模型依存性に起因する。
• CS演算子の計算には約15–20%の不確実性があり、完全な2ループ図評価およびより良い核電荷分布モデルの導入により低減可能である。