[논문 리뷰] Search for a muon EDM using the frozen-spin technique

Andreas Adelmann, M. Backhaus외 36명|arXiv (Cornell University)|2021. 02. 17.

Particle physics theoretical and experimental studies참고 문헌 26인용 수 26

한 줄 요약

논문은 PSI에서 frozen-spin 기법을 사용하여 뮤온 전기 쌍극 모멘트(EDM)를 탐색하려는 의향서를 개요로 제시하며, 고강도 뮤온 빔과 두 가지 주입 개념으로 전례 없는 민감도를 목표로 한다.

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.

연구 동기 및 목표

• 비표준 모델의 CP 위반 및 잠재적 LFU 긴장에 대한 탐침으로서 0이 아닌 뮤온 EDM 탐색 동기 부여.
• 고정 스핀으로 이상 프리세션 억제 및 EDM 유도 수직 스핀 프리세션을 드러내는 전용 실험 제안.
• 두 가지 주입 개념 평가(가로 주입 저장 링 및 수직 나선 주입) EDM 민감도 최적화.
• 연간 달성 가능한 민감도 추정 및 HIMB, muCool 등의 고강도 뮤온 빔을 통한 한계 향상 경로 개요.
• 뮤온 EDM 발견이 새로운 물리학 및 CP 위반 프레임워크에 미칠 수 있는 시사점 강조.]
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제안 방법

• 고정 스핀 기법을 사용하여 뮤온 정지 프레임 내 전장 약 ~1 GV/m를 최대화하고 Adkacised 전기장 조건 aB = (a - 1/(γ^2-1)) (β×E)/c로 이상 프리세션 항을 상쇄한다.
• 약 1.5–3 T의 자기장과 맞춤형 반경 방향 전기장을 활용하여 뮤온 스핀을 운동량에 대해 고정시켜 EDM 유도 프리세션이 수직 편향으로 나타나도록 한다.
• 트래커를 이용하여 뮤온 붕괴에서 방출되는 양전자(decay positrons)의 상하 비대칭을 측정하고 EDM에 의해 시간이 지남에 따라 나타나는 비대칭을 추적한다.
• 두 가지 개념 설계 탐색: (a) 측면 주입 및 전극이 있는 컴팩트 저장 링, (b) 강한 솔레노이드 장에서의 수직 나선/주입 스킴으로 EDM 민감도 최적화.
• 편향 P의 d_mu에 대한 기울기와 포아송 통계에 따라 감도 정량화, σ(d_mu) ≈ 수십×10^-23 e·cm/년 수준으로 시나리오에 따라 달라진다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 PSI에서 고강도 뮤온 빔을 사용한 frozen-spin 방법으로 뮤온 EDM에 대한 달성 가능한 민감도는 어떻게 되는가?
• RQ2 다른 주입 및 저장 구성은 뮤온 생존율, 편향 진화 및 EDM 민감도에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ3 제안된 기술이 현재 뮤온 EDM 한계인 1.8×10^-19 e·cm에 도달하거나 이를 넘을 수 있는가?
• RQ4 재료 손실 및 주입 효율이 전체 실험 민감도에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ5 현실적인 빔 조건 아래 EDM과 실험 매개변수에 따라 수직 프리세전 신호는 어떻게 스케일링 되는가?

주요 결과

• 기본 조건(B = 1.5 T, E_f ≈ 0.96 MV/m, P0 ≈ 0.93, A = 0.3)에서 단일 뮤온 EDM 민감도는 약 1×10^-16 e·cm에 도달할 수 있다.
• 고강도 뮤온 빔과 최적 운용으로 수직 주입/저장 시나리오에서 B ≈ 3 T일 때 연간 EDM 민감도가 약 6×10^-23 e·cm에 도달할 수 있다.
• 연속/나선 기반 대안 접근법은 3 T장의 자장에서 드리프트된 뮤온의 경우 약 3×10^-21 e·cm와 같은 다른 민감도를 제공하며 저장, 주입 손실 및 듀티 사이클 간의 트레이드오프를 보여준다.
• 무효 결과는 뮤온 EDM의 상한을 더 조이고, 표준 모델 외 CP-위반 시나리오의 윌슨 계수를 제약한다.
• 뮤온 EDM 발견은 SM을 넘어서는 물리학을 지지하고 B-붕괴와 muon g-2에서의 플레어 구조힌트와 관련될 수 있음을 시사한다.
• 두 가지 주입 개념은 평가 중이며: (1) 소형 링의 측면 주입 및 측정 E_f를 위한 전극, (2) 실용적인 E_f 및 장의 가능성을 높이기 위한 수직 나선 주입.