[論文レビュー] Precision Muon Physics

T. P. Gorringe, D. W. Hertzog|arXiv (Cornell University)|Jun 4, 2015

Particle physics theoretical and experimental studies被引用数 5

ひとこと要約

本レビューは、標準模型を検証し、新しい物理学を探索する最先端の高精度ミューオン実験を統合的に検討し、ミューオンの寿命、崩壊構造、異常磁気モーメント、ミューオニウムおよびミューオニック原子分光、およびミューオン捕獲を焦点としている。プロトン半径のパズルや電荷粒子のフラバー不変性の破れの探索といった画期的な成果を強調しており、今後の実験では、希少崩壊において10⁻¹⁷、(g−2)測定において140 ppbの感度を達成することを目標としている。

ABSTRACT

The muon is playing a unique role in sub-atomic physics. Studies of muon decay both determine the overall strength and establish the chiral structure of weak interactions, as well as setting extraordinary limits on charged-lepton-flavor-violating processes. Measurements of the muon's anomalous magnetic moment offer singular sensitivity to the completeness of the standard model and the predictions of many speculative theories. Spectroscopy of muonium and muonic atoms gives unmatched determinations of fundamental quantities including the magnetic moment ratio $μ_μ/ μ_p$, lepton mass ratio $m_μ / m_e$, and proton charge radius $r_p$. Also, muon capture experiments are exploring elusive features of weak interactions involving nucleons and nuclei. We will review the experimental landscape of contemporary high-precision and high-sensitivity experiments with muons. One focus is the novel methods and ingenious techniques that achieve such precision and sensitivity in recent, present, and planned experiments. Another focus is the uncommonly broad and topical range of questions in atomic, nuclear and particle physics that such experiments explore.

研究の動機と目的

• 粒子物理学、核物理学、原子物理学の分野における高精度・高感度ミューオン実験の現在の実験的状況をレビューすること。
• ミューオン寿命、磁気モーメント、崩壊パラメータの測定においてppm未満の精度を実現するための新規技術および装置の分析。
• ミューオンが弱い相互作用のV−A構造の検証および標準模型を超える電荷粒子のフラバー不変性の破れの探索における役割の評価。
• ミューオニック原子分光測定が、プロトンの電荷半径やミューオンとプロトンの磁気モーメント比といった基本定数の決定に与える影響の評価。
• プロトン半径のパズルを解消し、希少ミューオン崩壊および電気双極子モーメントの探索において前例のない感度を達成することを目的とした近い将来のプロジェクトの概要を提示すること。

提案手法

• ミューオン崩壊率およびスピン極化の高精度測定を用いて、フェルミ定数 $G_F$ を抽出し、弱い相互作用のV−A構造を検証する。
• ミューオン捕獲実験の例であるMuLan、TWIST、MEGにおいて、トラップされたミューオンビーム、超高安定磁気ストレージリング、高分解能コメトロメータおよびトラッカーを用いた高度な技術を採用する。
• ミューオニウムハイパーファイン構造の測定に二重共振キャビティ分光法を適用し、LAMPF実験に比べて感度を向上させる。
• ミューオニック水素およびミューオニック重水素を用いて、1フェムトメートル未満の精度でラムシフト測定によりプロトン電荷半径を調べる。
• Mu2e、COMET、Mu3eなどの実験で、高強度ミューオンビームと超伝導ソレノイドを用い、共鳴ミューオンから電子への変換において1イベント感度が $10^{-17}$ に達する。
• ストレージリングにおけるスピンを凍結する技術を活用し、ミューオン電気双極子モーメントの感度を向上させ、予想される改善は1〜2桁の増加である。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 ミューオンの寿命の正確な値は何か？ そして、フェルミ定数 $G_F$ の制約にどのように寄与するか？
• RQ2 ミューオン崩壊パラメータは、弱い相互作用のV−A構造をどの程度確認し、新しい物理学を制限するか？
• RQ3 電荷粒子のフラバー不変性の破れを示すミューオン崩壊、例えば $\mu^+ \rightarrow e^+\gamma$ や $\mu \to eee$ の探索の現在の状況と今後の可能性は何か？
• RQ4 ミューオニック原子分光測定実験は、プロトン半径のパズルをどのように解消し、量子電磁力学および有効場理論にどのような意味を持つのか？
• RQ5 今後の実験におけるミューオン電気双極子モーメントの感度は何か？ そして、現在の限界をどの程度改善するのか？

主な発見

• ミューオンの寿命は $2.1969811(22)\times10^{-6}$ s と測定され、精度は1.0 ppmであり、フェルミ定数 $G_F$ はppm未満の不確実性で得られた。
• ミューオンの異常磁気モーメント $a_\mu$ は $116\,592\,091(63)\times10^{-11}$ と測定され、精度は0.54 ppmであり、標準模型の予測と比較して7σの継続的で大きな乖離を示している。
• ミューオニック水素のラムシフト測定から得られたプロトン電荷半径は $r_p = 0.84087(39)$ fm であり、電子-プロトン散乱および水素分光測定から得られた値と比較して7σ小さい。
• MuCap実験では、$\mu p \to n\nu$ の測定精度が1.5%に達し、チャイralパーカーブ理論が予測する弱い核子の擬スカラー結合定数 $g_p = 8.06 \pm 0.48 \pm 0.28$ を確認した。
• MuSEUM実験は、LAMPF実験に比べて形成されたミューオニウム原子の数を1桁、記録された崩壊数を2桁増加させることを目的としている。
• Mu2eやCOMETなどの今後の実験は、共鳴ミューオンから電子への変換において1イベント感度を $10^{-17}$ に達する見込みであり、現在の限界に比べて4桁の改善が見込まれる。