[论文解读] An Improved Limit on the Electric Dipole Moment of the Muon

R. McNabb|ArXiv.org|Jul 1, 2004

Particle physics theoretical and experimental studies被引用 10

一句话总结

本文利用布鲁克黑文国家实验室μ子g-2实验的数据，提出了对μ子电偶极矩（EDM）的改进实验极限。通过分析分段量能器上电子打靶位置的垂直振荡——这种振荡源于非零EDM导致μ子自旋进动平面发生倾斜——该研究在95%置信水平下设定了新的上限值$2.8 \times 10^{-19}$ e-cm，相较于先前的极限提高了四倍。

ABSTRACT

Data from the muon g-2 experiment at Brookhaven National Lab has been analyzed to search for a muon electric dipole moment(EDM), which would violate parity and time reversal symmetries. An EDM would cause a tilt in the spin precession plane of the muons, resulting in a vertical oscillation in the position of electrons hitting the detectors. No signal has been observed. Based on this analysis, an improved limit of $2.8 imes 10^{-19} e-cm(95% CL) is set on the muon EDM.

研究动机与目标

• 寻找μ子中非零电偶极矩（EDM）的存在，这是时间反演和宇称对称性破缺的新物理信号。
• 将μ子EDM极限的灵敏度提升至超过先前最佳极限$1.05 \times 10^{-18}$ e-cm的水平。
• 通过探测因EDM引起的自旋进动平面倾斜而产生的前闪烁探测器（FSD）上电子打靶位置的垂直振荡，来测量EDM。
• 通过详细的校准和拟合程序，最小化由探测器错位、束流位置振荡以及探测器响应不对称性引起的系统误差。
• 为预测轻子EDM的新物理模型提供严格约束，特别是涉及标准模型之外CP破坏的模型。

提出的方法

• 实验使用一个7米长的储存环，配备1.4 T的磁场，用于存储3.1 GeV的极化μ子，通过测量自旋进动频率来测定其反常磁矩。
• 非零的μ子EDM会引发一个力矩，导致自旋进动平面发生倾斜，从而在FSD上产生电子打靶位置的垂直振荡，该振荡相对于g-2信号表现为90°相移的调制。
• FSD由五个垂直分段的闪烁晶体板组成，可精确测量μ子衰变产生的电子在垂直方向的位置。
• 通过将时间相关的打靶位置平均值拟合至一个与反常进动频率相同的垂直振荡幅度，从而提取EDM的正比信号。
• 通过模拟探测器错位、束流振荡和响应不对称性来评估系统误差，并在软件中引入人工扰动以评估其对EDM测量的影响。
• 最终EDM结果通过将测量到的振荡幅度外推至零束流偏移点获得，方法是对束流重新对准前后九个探测器的数据进行线性拟合。

实验结果

研究问题

• RQ1 μ子是否具有非零电偶极矩，表明存在标准模型之外的新物理？
• RQ2 基于2000年μ子g-2实验数据运行，μ子EDM的最严格实验极限是多少？
• RQ3 探测器倾斜、束流振荡和垂直响应不对称性等系统效应如何影响EDM测量？
• RQ4 尽管存在背景和对准效应，能否可靠地从数据中提取电子打靶位置的垂直振荡？
• RQ5 通过校正探测器错位和束流位置漂移，EDM极限最多能改善多少？

主要发现

• 实验未发现μ子EDM的显著信号，电子打靶位置的测量振荡幅度与零一致。
• 振荡幅度的统计不确定性为$5.9 \mu m$，总系统不确定性为$10.4 \mu m$，因此联合总不确定性为$11.9 \mu m$。
• 通过使用束流重新对准前后九个探测器的数据进行线性拟合，校正探测器错位效应后，截距对应于测量得到的EDM为$(-0.1 \pm 1.4) \times 10^{-19}$ e-cm。
• μ子EDM的95%置信水平上限被设定为$2.8 \times 10^{-19}$ e-cm，相较于先前最佳极限提高了四倍。
• 模拟预测每$10^{-19}$ e-cm的EDM会产生$8.8 \pm 0.5 \mu m$的垂直振荡，与观测到的灵敏度和校准结果一致。
• 主要系统误差来源于探测器倾斜（6.1 $\mu$m）和垂直自旋效应（5.1 $\mu$m），所有误差均视为不相关，并以平方和开方方式合并。