[論文レビュー] Search for a muon EDM using the frozen-spin technique

Andreas Adelmann, M. Backhaus+36 more|arXiv (Cornell University)|Feb 17, 2021

Particle physics theoretical and experimental studies参考文献 26被引用数 26

ひとこと要約

論文は、 PSI で凍結スピン技術を用いてmuonのEDMを探索する意図を示す手紙の形をとり、ハイビームμの注入概念を2つ用いた前例のない感度を目指す。

ABSTRACT

This letter of intent proposes an experiment to search for an electric dipole moment of the muon based on the frozen-spin technique. We intend to exploit the high electric field, $E=1{ m GV/m}$, experienced in the rest frame of the muon with a momentum of $p=125 { m MeV/}c$ when passing through a large magnetic field of $|\vec{B}|=3{ m T}$. Current muon fluxes at the $μ$E1 beam line permit an improved search with a sensitivity of $σ(d_μ)\leq 6 imes10^{-23}e{ m cm}$, about three orders of magnitude more sensitivity than for the current upper limit of $|d_μ|\leq1.8 imes10^{-19}e{ m cm}$\,(C.L. 95\%). With the advent of the new high intensity muon beam, HIMB, and the cold muon source, muCool, at PSI the sensitivity of the search could be further improved by tailoring a re-acceleration scheme to match the experiments injection phase space. While a null result would set a significantly improved upper limit on an otherwise un-constrained Wilson coefficient, the discovery of a muon EDM would corroborate the existence of physics beyond the Standard Model.

研究の動機と目的

• 標準模型を越えるCP違反と潜在的なLFU緊張の探査手段として、muon EDMの非ゼロを動機づける。
• 凍結スピンを用いる専用実験を提案し、異常前進を抑制して EDM による鉛直スピン回転を明らかにする。
• EDM感度を最適化する2つの注入概念（横注入を伴うストレージリングと垂直ヘリックス注入）を評価する。
• 高強度μビーム（HIMB, muCool）による年間達成感度を見積もり、感度向上の路筋を概説する。
• muon EDM の発見が新しい物理学とCP-violationsの枠組みに及ぼす潜在的影響を強調する。

提案手法

• 凍結スピン技術を用いてμの静止系電場を最大化（約1 GV/m）し、Adkacised electric field 条件 aB = (a - 1/(γ^2-1)) (β×E)/c によって異常前進項を打ち消す。
• 約1.5–3 T の磁場と適切な放射状電場を用いてμのスピンを運動量に対して凍結させ、EDM による前進が鉛直極性成分として現れるようにする。
• μの崩壊から発生する陽電子をトラッカーで検出し、EDM によって時間経過とともに現れる上下非対称性を測定する。
• 概念設計として、(a) E_f 電極を備えた横注入の小型ストレージリング、(b) 強いソレノイド磁場下の垂直ヘリックス/注入方式を探求し、EDM感度を最適化する。
• 偏光Pと d_mu の傾斜、ポアソン統計を用いて感度を定量化し、 schemes によって sigma(d_mu) は年間で数×10^-22 〜 10^-23 e·cm 程度となる。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 凍結スピン法を用いたPSIでの高強度μビームを用いたmuon EDMの達成感度はどの程度か。
• RQ2 異なる注入・ストレージ構成がμ生存率、偏光進化、EDM感度にどのように影響するか。
• RQ3 提案手法は現在のmuon EDM限界1.8×10^-19 e·cm に到達するか、あるいは超えることができるか。
• RQ4 材料損失と注入効率が全体の実験感度に与える影響はどれほどか。
• RQ5 現実的なビーム条件下でEDMと実験パラメータが垂直前進信号に与えるスケーリングはどうなるか。

主な発見

• 基準条件（B = 1.5 T, E_f ≈ 0.96 MV/m, P0 ≈ 0.93, A = 0.3）の下で、単一μのEDM感度は約1×10^-16 e·cm が達成できる。
• 高強度μビームと最適化運用により、垂直注入/ストレージ方案でB ≈ 3 T の場合、年間EDM感度は約6×10^-23 e·cm まで達成可能。
• 連続/ヘリックスベースの別手法は異なる感度を提供し、例えば3 T磁場でのドリフトμには約3×10^-21 e·cm、ストレージ・注入損失・デューティサイクルのトレードオフを示す。
• Null結果はμon EDM の上限を引き締め、標準模型超えのCP-violatingシナリオにおけるWilson係数を制約する。
• muon EDM の発見は標準模型を超える物理学を支持し、B衝突・muon g-2 からの味方構造のヒントに関連する可能性がある。
• 2つの注入概念は評価中：コンパクトリングの横注入と実用的E_fと磁場実現性を高める垂直ヘリックス注入。