[論文レビュー] True muonium: the atom that has it all

Henry Lamm|arXiv (Cornell University)|Sep 30, 2015

Muon and positron interactions and applications被引用数 4

ひとこと要約

本稿では、ミューオン系の異常への感受性を活かして、標準模型を超える新しい物理を精密に探るための真ミューオニウム（μ⁺μ⁻結合状態）の可能性を提案する。100 MHzの精度で分光測定および希少崩壊を用いてBSM理論を検証可能であり、理論的予測にはZボソンおよびQCD補正の組み込みが精度のため不可欠である。

ABSTRACT

Fundamental physics could be described as having a muon problem. Discrepancies between theory and experiment in a number of muonic measurements ($r_P$, $a_μ$, $H ightarrowμτ$, $\mathcal{R}_K$, $\mathcal{R}_{D^*}$) have been observed in the last decade that demand explanation. True muonium, the bound state of a muon and its antiparticle, has the potential to put strong constraints on any beyond standard model physics that affects the muon sector. To study these effects, theoretical predictions and experiment need a, not unreasonable, precision of 100 MHz. Surprisingly, at this level, QCD and electroweak corrections become relevant in true muonium as well. Presented here is a discussion of the novel properties of true muonium from the standard model, potential discovery methods at near future facilities like DIRAC and HPS, and its ability to discriminate between a variety of solutions to the muon problem.

研究の動機と目的

• ミューオン磁気モーメント、陽子半径、軽レプトンのフラバー不変性に関する不一致（いわゆる「ミューオン問題」）を、新たな実験的プローブによって解決すること。
• 陽電子とミューオニウムなどの既存系の限界（例えば、質量の小さい有効質量やQCD構造の曇り）を克服し、真ミューオニウムのより大きな有効質量と洗練されたQCD構造を活かすこと。
• 100 MHzの感度で実現可能な分光測定（ランプシフト、ハイパーファイン分裂）および希少崩壊を用いて、新しい物理の精密な検証を可能にすること。
• 弱い相互作用および見えない崩壊モード（例えば、ダークマター、アクシオン様粒子）を調べるための独自の系を提供すること。
• DIRAC や HPS などの施設での真ミューオニウム検出の理論的・実験的フレームワークを確立し、将来のフェルミラブのミューオン加速器計画への応用可能性を示すこと。

提案手法

• 量子電磁力学（QED）および量子色力学（QCD）の理論的計算を用いて、真ミューオニウムのハイパーファイン分裂およびランプシフトを O(α⁷m) の精度で予測する。
• 陽電子とミューオニウム分光測定の技術を応用し、仮想電子およびハドロンループの寄与を含めた精度予測を拡張する。
• ハイパーファイン分裂の100 MHzレベルの精度を達成するため、単一のZボソン交換寄与を組み込む。これはBSM感受性にとって不可欠である。
• HPSおよびDIRACでの検出を想定し、e⁺e⁻ → μ⁺μ⁻γ、πp → μ⁺μ⁻n、γZ → μ⁺μ⁻Z の生成過程をモデル化する。
• 水素のランプシフト測定で用いられた磁場混合法を応用し、ビーム強度の変調を用いて真ミューオニウム遷移を検出する。
• 三重項状態（³S₁）および単重項状態（¹S₀）の崩壊率を分析し、二光子崩壊およびニュートリノモードを含む。崩壊率は mₗ⁵ に比例する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 真ミューオニウムは、標準模型を超える新しい物理を解消する感度の高いプローブとして機能できるか？
• RQ2 真ミューオニウム分光測定において新しい物理効果を検出するための理論的精度はどの程度必要か？ また、QCD や電弱補正はどの程度不可欠か？
• RQ3 HPS や DIRAC などの実験施設では、真ミューオニウムをどのように検出できるか？ 低エネルギー領域での有効な生成メカニズムは何か？
• RQ4 真ミューオニウムの希少崩壊（例えばニュートリノや見えない粒子への崩壊）は、BSMモデルに対する競争的な制約を提供する程度はどの程度か？
• RQ5 真ミューオニウム分光測定を用いてミューオンの弱い電荷を測定可能か？ また、Zボソン交換はこの測定において果たす役割は何か？

主な発見

• 真ミューオニウムのハイパーファイン分裂は 42,330,577(800)(1200) MHz と予測され、ハドロン真空極化および欠落した O(α⁶m) 補正による不確実性を含む。
• ハイパーファイン分裂の100 MHzレベルの精度を達成するためにはZボソン交換寄与が不可欠であり、弱い相互作用の測定が可能になる。
• 1s–2s遷移エネルギーは 2.55(5)×10¹¹ MHz、ランプシフトは 1.3813(14)×10⁷ MHz と予測され、両者ともより高い理論的制御が必要である。
• 三重項真ミューオニウムは e⁺e⁻ に崩壊し、寿命は 1.8n³ ps である。一方、単重項状態は二光子崩壊を経て 0.6n³ ps の寿命を持つ。
• ニュートリノ崩壊率は mₗ⁵ 比例により増幅され、νₘν̄ₘ 崩壊率は e⁺e⁻ 崩壊率の約 10⁻¹¹ 倍に達するため、高強度実験で検出可能である。
• 見えない崩壊（例えば、アクシオンやダークマターへの崩壊）は質量スケーリングのおかげでBSMモデルに対する競争的制約を提供し、低質量ダークセクターを覗きこむ新たな窓を提供する。