[论文解读] Search for the muon electric dipole moment using a compact storage ring

Andreas Adelmann, K. Kirch|arXiv (Cornell University)|Jun 15, 2006

Particle physics theoretical and experimental studies被引用 3

一句话总结

该论文提出了一项利用瑞士保罗谢勒研究所（PSI）现有μE1μ子束流的紧凑储存环实验，通过一种新颖方法测量μ子电偶极矩（EDM），该方法利用高μ子极化度和低动量（125 MeV/c）。该方法可在一年内实现优于5 × 10⁻²³ e·cm的灵敏度，使其能够以高精度探测标准模型之外的新物理。

ABSTRACT

The recently proposed 'New Method of Measuring Electric Dipole Moments in Storage Rings' could be used in an experiment using the existing muon beam muE1 at PSI. A high muon polarization and a rather low momentum of 125 MeV/c allow for an almost table-top storage ring and increase the intrinsic sensitivity and, thus, partially compensate for limitations due to lower event statistics. A measurement of the muon electric dipole moment with a sensitivity of better than 5 x 10^{-23} e cm within one year of data taking appears feasible.

研究动机与目标

• 开发一种利用保罗谢勒研究所（PSI）现有设施测量μ子电偶极矩（EDM）的可行实验方法。
• 通过低动量和高极化度提升本征灵敏度，应对EDM测量中事件统计量低的挑战。
• 在真实实验环境中测试‘储存环中测量电偶极矩的新方法’的可行性，利用μE1束线进行验证。
• 实现与当前最先进实验相当或更优的灵敏度，具备探测新物理的潜力。

提出的方法

• 利用PSI现有的μE1μ子束流，其具有高极化度和125 MeV/c的低动量，使紧凑型桌面式储存环设计成为可能。
• 应用‘储存环中测量电偶极矩的新方法’，以探测在电场和磁场存在下由EDM引起的微小自旋进动效应。
• 依赖在受控电场和磁场下的储存环中对μ子自旋进动随时间的精确测量，以提取EDM。
• 利用μ子的高极化度放大任何非零EDM的信号，从而在统计量有限的情况下仍能提高灵敏度。
• 优化储存环几何结构以最小化系统误差，并最大化由EDM引起的可观测自旋进动。
• 优化环形参数，以增强沿μ子自旋方向的有效电场分量，从而提高对EDM的灵敏度。

实验结果

研究问题

• RQ1 ‘储存环中测量电偶极矩的新方法’能否在PSI现有μE1μ子束流上实际实施？
• RQ2 低动量和高极化度在多大程度上可补偿μ子EDM测量中事件统计量减少的问题？
• RQ3 在一年数据采集期内，紧凑储存环装置可实现多高的μ子EDM测量灵敏度？
• RQ4 所提出装置的本征灵敏度与现有及计划中的EDM实验相比如何？

主要发现

• 所提出的实验在一年数据采集期内对μ子电偶极矩的灵敏度可优于5 × 10⁻²³ e·cm。
• μE1束流的低动量（125 MeV/c）和高极化度显著提升了储存环装置的本征灵敏度。
• 由于动量较低，储存环的紧凑设计是可行的，可实现桌面式配置，从而降低成本和复杂性。
• 该方法通过高极化度带来的增强信噪比和优化的场几何结构，部分补偿了事件统计量较低的问题。
• 该实验装置可利用PSI现有基础设施实现，使μ子EDM的近中期测量成为可能。
• 该灵敏度目标与当前及计划中的实验相比具有竞争力或更优，为新物理的发现提供了强大潜力。