[论文解读] Improved Indirect Limits on Muon Electric Dipole Moment

Yohei Ema, Ting Gao+1 more|arXiv (Cornell University)|Jan 1, 2021

Particle physics theoretical and experimental studies参考文献 1被引用 1

一句话总结

该论文通过计算重原子核强电场中μ子圈效应诱导的‘光致光’散射，改进了对μ子电偶极矩（dµ）的间接约束。利用E3B有效相互作用，推导出新界限：¹⁹⁹Hg实验给出dµ < 6×10⁻²⁰ ecm，ThO实验给出dµ < 2×10⁻²⁰ ecm，相较于来自BNL g−2实验的先前间接限制分别提高了约3倍和9倍。

ABSTRACT

Given current discrepancy in muon g-2 and future dedicated efforts to measure muon electric dipole moment (EDM) dμ, we assess the indirect constraints imposed on dμ by the EDM measurements performed with heavy atoms and molecules. We notice that the dominant muon EDM effect arises via the muon-loop induced “light-by-light” CP-odd amplitude ∝BE3, and in the vicinity of a large nucleus the corresponding parameter of expansion can be significant, eEnucl/mμ2∼0.04. We compute the dμ-induced Schiff moment of the Hg199 nucleus, and the linear combination of de and semileptonic CS operator (dominant in this case) that determine the CP-odd effects in the ThO molecule. The results, dμ(Hg199)&lt;6×10-20 e cm and dμ(ThO)&lt;2×10-20 e cm, constitute approximately threefold and ninefold improvements over the limits on dμ extracted from the Brookhaven National Laboratory muon beam experiment.

研究动机与目标

• 通过重原子和分子中的精密EDM实验，重新评估对μ子电偶极矩（dµ）的间接约束。
• 评估μ子圈诱导的CP奇相互作用，特别是E3B有效算符，在高Z核中的影响。
• 通过利用¹⁹⁹Hg和ThO中强电场增强的μ子圈贡献，提高对dµ的敏感度。
• 量化影响dµ界限推导的核物理与原子物理建模中的理论不确定性。

提出的方法

• 通过包含dµ插入项的一圈QED图，计算在强电场中由μ子圈诱导的E3B有效相互作用（E³B），适用于强电场条件。
• 推导出有效拉格朗日量 L_eff = −(dµ/e)(12π²mₘ³)⁻¹ e⁴(E·E)(E·B)，描述CP奇光子相互作用。
• 利用核与原子波函数，计算¹⁹⁹Hg和ThO中的施夫矩（S）及CP奇电子-核相互作用（CS）。
• 通过数值求解径向波函数的狄拉克方程，计算κ因子，以考虑核密度与E²算符分布之间的空间差异。
• 以测量的核电荷半径和磁矩为输入，对壳模型局限性进行修正。
• 估算来自粒子物理、核物理与原子物理的理论不确定性，总不确定性约为15–30%，具体取决于可观测量。

实验结果

研究问题

• RQ1 在重核强电场中，μ子电偶极矩如何产生CP奇相互作用？
• RQ2 在¹⁹⁹Hg和ThO中，由dµ诱导的E3B有效相互作用的强度如何？
• RQ3 由此产生的施夫矩与CP奇电子-核相互作用如何约束dµ？
• RQ4 从原子与分子EDM实验推导dµ界限时，主要的理论不确定性是什么？
• RQ5 这些间接界限与来自BNL g−2实验的直接限制相比如何？

主要发现

• 从¹⁹⁹Hg得到的μ子电偶极矩界限为dµ < 6×10⁻²⁰ ecm，相较于先前来自BNL g−2实验的间接限制提高了约3倍。
• 从ThO得到的界限为dµ < 2×10⁻²⁰ ecm，相较于基于BNL的间接限制提高了约9倍。
• 在重系统中，由μ子圈交换在强E场中诱导的E3B相互作用，是dµ引发CP奇效应的主要机制。
• κ因子（用于校正核密度与E²算符空间分布差异）被数值计算为κ ≃ 0.66，核模型带来的不确定性约为10%。
• 施夫矩计算的理论不确定性约为30%，主要源于对磁质结构依赖于简单壳模型的假设。
• CS算符计算的不确定性约为15–20%，若能完整计算两圈图并改进核电荷分布建模，该不确定性可进一步降低。