[论文解读] Search for a muon EDM using the frozen-spin technique

Andreas Adelmann, M. Backhaus+36 more|arXiv (Cornell University)|Feb 17, 2021

Particle physics theoretical and experimental studies参考文献 26被引用 26

一句话总结

本文提出一份意向书，旨在在 PSI 使用 frozen-spin 技术探测 muon 的电偶极矩（EDM），目标是在高强度 muon 谱线和两种注入概念下达到前所未有的灵敏度。

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.

研究动机与目标

• 促成将 muon EDM 设为非零的探索，以作为超 Standard Model CP 违反与潜在的 LFU 张力的探针。
• 提出使用 frozen-spin 的专用实验，以抑制异常进动并揭示 EDM 引起的垂直自旋进动。
• 评估两种注入概念（带横向注入的存储环和垂直螺旋注入）以优化 EDM 灵敏度。
• 估算每年的可实现灵敏度，并通过高强度 muon beams（HIMB，muCool）探索改进界限的路径。
• 强调若发现 muon EDM 对新物理及 CP 违背框架的潜在意义。

提出的方法

• 使用 frozen-spin 技术最大化 μ子静止系的电场强度 (~1 GV/m)，并通过一个 Adkacised 电场条件 aB = (a - 1/(γ^2-1)) (β×E)/c 来抵消异常进动项。
• 在 ~1.5–3 T 的磁场和定制的径向电场下，使 μ子自旋相对于动量保持冻结，从而任何 EDM 引起的进动表现为垂直极化分量。
• 通过追踪 μ子衰变产生的正电子来测量随时间发展而产生的上下不对称性，以检测 EDM。
• 探索两种概念设计：(a) 带横向注入的紧凑存储环及 E_f 电极；(b) 在强磁轴场中的垂直螺旋/注入方案，以优化 EDM 灵敏度。
• 以极化度 P 相对于 d_mu 的斜率和泊松统计量来量化灵敏度，结果为 sigma(d_mu) ≈ a few 10^-22 to 10^-23 e·cm per year 视方案而定。

实验结果

研究问题

• RQ1 在使用高强度 muon beams 的情况下，利用 frozen-spin 方法在 PSI 能达到的 muon EDM 的灵敏度是多少？
• RQ2 不同的注入和存储配置如何影响 μ子存活、极化演化和 EDM 灵敏度？
• RQ3 提出的技术能够达到或超过当前 muon EDM 的极限 1.8×10^-19 e·cm 吗？
• RQ4 材料损耗和注入效率对整体实验灵敏度有何影响？
• RQ5 在现实束流条件下，垂直进动信号如何随 EDM 与实验参数放大？

主要发现

• 在基线条件（B = 1.5 T，E_f ≈ 0.96 MV/m，P0 ≈ 0.93，A = 0.3）下，可实现单 μ 子 EDM 灵敏度约为 1×10^-16 e·cm。
• 在高强度 muon beams 和优化运行下，垂直注入/存储情形下，B ≈ 3 T 时每年的 EDM 灵敏度可达到约 6×10^-23 e·cm。
• 替代的连续/螺旋式方法提供不同的灵敏度，例如在 3 T 场中漂移 μ子的 ~3×10^-21 e·cm，显示了存储、注入损耗和占空比之间的权衡。
• 无信号结果将收窄 μon EDM 的上限，并约束超 SM CP-violating 情景中的 Wilson 系数。
• 研究强调若发现 μon EDM 将支持超越 SM 的物理，并可能与来自 B 衰变和 μon g-2 的味结构线索相关。
• 正在评估两种注入概念：紧凑环中的横向注入和垂直螺旋注入，以提高实际 E_f 和场的可行性。