[論文レビュー] Search for the muon electric dipole moment using a compact storage ring

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

Particle physics theoretical and experimental studies被引用数 3

ひとこと要約

本論文は、PSIの既存のmuE1ミューオンビームを用いて、125 MeV/cの低運動量と高いミューオン偏光を活用する新規手法を用いて、ミューオン電気双極子モーメント（EDM）を測定するコンパクトなストレージリング実験を提案する。この手法により、1年間の測定で5 × 10⁻²³ e·cm未満の感度が達成可能であり、標準模型を超える新しい物理学を高精度で探査することが可能となる。

ABSTRACT

The recently proposed 'New Method of Measuring Electric Dipole Moments in Storage Rings' could be used in an experiment using the existing muon beam muE1 at PSI. A high muon polarization and a rather low momentum of 125 MeV/c allow for an almost table-top storage ring and increase the intrinsic sensitivity and, thus, partially compensate for limitations due to lower event statistics. A measurement of the muon electric dipole moment with a sensitivity of better than 5 x 10^{-23} e cm within one year of data taking appears feasible.

研究の動機と目的

• パウル・シュレーディンガー研究所（PSI）の既存インfraストラクチャを活用して、ミューオン電気双極子モーメント（EDM）を測定する実現可能な実験的手法を開発すること。
• 低イベント統計の問題に取り組むために、低運動量と高偏光を活用して内在的感度を向上させること。
• 『ストレージリングにおける電気双極子モーメント測定の新規手法』を、muE1ビームラインを用いた実世界の環境で実証すること。
• 現在の最先端実験と同等またはそれ以上の感度を達成し、新しい物理学の発見可能性を高めること。

提案手法

• PSIに既存のmuE1ミューオンビームを活用し、高偏光と125 MeV/cの低運動量を提供することで、コンパクトでテーブルトップ型のストレージリング設計が可能となる。
• 『ストレージリングにおける電気双極子モーメント測定の新規手法』を適用し、電場と磁場の存在下で生じる微小なスピン進化効果を検出する。
• 制御された電場と磁場を有するストレージリング内での時間経過に伴うミューオンスピン進化の正確な測定を基にEDMを抽出する。
• 高いミューオン偏光を活用して、非ゼロのEDMからの信号を増幅し、統計的制限にもかかわらず感度を向上させる。
• EDMに起因するスピン進化を最大限に引き出すために、系の系統的誤差を最小限に抑えるストレージリングの幾何形状を設計する。
• ミューオンスピン方向に沿った有効な電場成分を高めるようにリングのパラメータを最適化し、EDMに対する感度を向上させる。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 『ストレージリングにおける電気双極子モーメント測定の新規手法』は、PSIの既存muE1ミューオンビームを用いて実用的に実装可能か？
• RQ2 低運動量と高偏光は、ミューオンEDM測定におけるイベント統計の低減をどの程度補うことができるか？
• RQ3 1年間のデータ取得期間内で、コンパクトなストレージリングセットアップが達成可能なミューオンEDMの感度はどの程度か？
• RQ4 提案されたセットアップの内在的感度は、既存および計画中のEDM実験と比較してどのように評価できるか？

主な発見

• 提案された実験は、1年間のデータ取得でミューオン電気双極子モーメントに対して5 × 10⁻²³ e·cm未満の感度を達成する。
• muE1ビームの低運動量（125 MeV/c）と高偏光が、ストレージリングセットアップの内在的感度を顕著に向上させる。
• 低運動量のおかげでストレージリングのコンパクト設計が可能となり、コストと複雑さを低減するテーブルトップ型構成が実現可能である。
• 高偏光と最適化された場の幾何形状により、信号対雑音比が向上し、イベント統計の低減を部分的に補う。
• PSIの既存インfraストラクチャを活用できるため、実験セットアップは現実的であり、近い将来におけるミューオンEDMの測定が可能となる。
• 感度目標は、現在の実験および計画中の実験と同等またはそれ以上であり、新しい物理学の発見可能性が非常に高い。