[论文解读] Precision Muon Physics

T. P. Gorringe, D. W. Hertzog|arXiv (Cornell University)|Jun 4, 2015

Particle physics theoretical and experimental studies被引用 5

一句话总结

本综述综合了前沿的高精度μ子实验，用于检验标准模型并探索新物理，重点涵盖μ子寿命、衰变结构、反常磁矩、μ子素与μ子原子光谱学，以及μ子捕获。文中突出展示了诸如质子电荷半径之谜等突破性进展，以及对带电轻子味违反的搜索，未来实验的目标是将稀有衰变的灵敏度提升至10−17量级，(g−2)测量的灵敏度达到140 ppb。

ABSTRACT

The muon is playing a unique role in sub-atomic physics. Studies of muon decay both determine the overall strength and establish the chiral structure of weak interactions, as well as setting extraordinary limits on charged-lepton-flavor-violating processes. Measurements of the muon's anomalous magnetic moment offer singular sensitivity to the completeness of the standard model and the predictions of many speculative theories. Spectroscopy of muonium and muonic atoms gives unmatched determinations of fundamental quantities including the magnetic moment ratio $μ_μ/ μ_p$, lepton mass ratio $m_μ / m_e$, and proton charge radius $r_p$. Also, muon capture experiments are exploring elusive features of weak interactions involving nucleons and nuclei. We will review the experimental landscape of contemporary high-precision and high-sensitivity experiments with muons. One focus is the novel methods and ingenious techniques that achieve such precision and sensitivity in recent, present, and planned experiments. Another focus is the uncommonly broad and topical range of questions in atomic, nuclear and particle physics that such experiments explore.

研究动机与目标

• 综述粒子物理、核物理和原子物理中高精度与高灵敏度μ子实验的当前实验格局。
• 分析实现μ子寿命、磁矩和衰变参数测量中亚ppm精度的新技术与仪器。
• 评估μ子在检验弱相互作用的V−A结构以及在标准模型之外寻找带电轻子味违反中的作用。
• 评估μ子原子光谱学对确定基本常数（如质子电荷半径和μ子与质子磁矩比）的影响。
• 概述近期项目在解决质子电荷半径之谜以及实现稀有μ子衰变和电偶极矩搜索前所未有的灵敏度方面的目标。

提出的方法

• 利用μ子衰变率和极化的高精度测量提取费米常数 $G_F$，并检验弱相互作用的V−A结构。
• 在MuLan、TWIST和MEG等实验中，采用俘获μ子束流、超稳定磁存储环以及高分辨率量能器和跟踪器等先进技术。
• 应用双共振腔光谱学技术，以比以往LAMPF实验更高的灵敏度测量μ子素超精细结构。
• 利用μ质子和μ氘核，通过亚费米级精度的兰姆位移测量探测质子电荷半径。
• 在Mu2e、COMET和Mu3e等实验中，采用高强度μ子束流和超导螺线管，实现μ子到电子相干转换的单事件灵敏度达 $10^{-17}$。
• 在存储环中利用冻结自旋技术增强对μ子电偶极矩的探测灵敏度，预计可提升1至2个数量级。

实验结果

研究问题

• RQ1 μ子寿命的精确值是多少？它如何约束费米常数 $G_F$？
• RQ2 μ子衰变参数在多大程度上证实了弱相互作用的V−A结构，并对新物理施加约束？
• RQ3 对带电轻子味违反的μ子衰变（如 $\mu^+ \rightarrow e^+\gamma$ 和 $\mu \to eee$）的搜索目前处于什么状态，未来潜力如何？
• RQ4 μ子原子光谱学实验如何解决质子电荷半径之谜？其对量子电动力学和有效场论有何影响？
• RQ5 未来实验对μ子电偶极矩的灵敏度如何？它们将如何超越当前限制？

主要发现

• μ子寿命的测量值为 $2.1969811(22)\times10^{-6}$ s，精度达1.0 ppm，由此得到的费米常数 $G_F$ 的不确定性低于ppm量级。
• μ子反常磁矩 $a_\mu$ 的测量值为 $116\,592\,091(63)\times10^{-11}$，精度达0.54 ppm，与标准模型预测存在持续的7σ偏差。
• 通过μ质子中兰姆位移测量得到的质子电荷半径为 $r_p = 0.84087(39)$ fm，比电子-质子散射和氢光谱学测得的值小7σ。
• MuCap实验对 $\mu p \to n\nu$ 的测量精度达到1.5%，证实了手征微扰理论预测的弱核子赝标量耦合 $g_p = 8.06 \pm 0.48 \pm 0.28$。
• MuSEUM实验计划将形成的μ子素原子数量和记录的衰变事件数分别比LAMPF实验提高一个数量级和两个数量级。
• 未来实验如Mu2e和COMET旨在实现μ子到电子相干转换的单事件灵敏度达 $10^{-17}$，相比当前限制提升了四个数量级。