近日，中國(guó)科學(xué)院高能物理研究所理論物理室?guī)r斌副研究員及合作者在我國(guó)提出的環(huán)形正負(fù)電子對(duì)撞機(jī)CEPC、日本的國(guó)際直線對(duì)撞機(jī)ILC以及歐洲核子中心提出的未來(lái)環(huán)形輕子對(duì)撞機(jī)FCC-ee上首次提出利用橫向極化的正負(fù)電子束流探測(cè)電弱偶極相互作用的物理效應(yīng)。研究結(jié)果表明該方法可顯著改善實(shí)驗(yàn)對(duì)電子電弱偶極相互作用強(qiáng)度的探測(cè)能力，在相關(guān)新物理研究中取得重要理論進(jìn)展，其研究成果發(fā)表在國(guó)際權(quán)威期刊 《物理評(píng)論快報(bào)》（Phys. Rev. Lett.?131 (2023) 241801?）。
帶電輕子由于自旋效應(yīng)，可以被視為小磁鐵，彼此間存在類似磁鐵與磁鐵的相互作用（磁偶極相互作用），是粒子的基本屬性之一。由于該相互作用可以被實(shí)驗(yàn)以極高精度測(cè)量，因此被廣泛用于尋找超出標(biāo)準(zhǔn)模型的新物理效應(yīng)。例如，美國(guó)費(fèi)米國(guó)家實(shí)驗(yàn)室測(cè)量的繆子反常磁矩與標(biāo)準(zhǔn)模型預(yù)言存在5
偏離預(yù)示著可能存在由超出標(biāo)準(zhǔn)模型新物理誘導(dǎo)的電磁偶極相互作用。由于電磁相互作用和弱相互作用被電弱規(guī)范理論統(tǒng)一描述，因此如果繆子反常磁矩測(cè)量結(jié)果是由于新物理效應(yīng)導(dǎo)致，那么我們期待存在著由相同新物理誘導(dǎo)的輕子弱偶極相互作用，其物理效應(yīng)類似于輕子的電磁偶極相互作用。此外，偶極相互作用與粒子的自旋緊密相關(guān)，因此對(duì)于傳統(tǒng)非極化的物理觀測(cè)量，該類偶極相互作用誘導(dǎo)的物理效應(yīng)將被“抹勻”以致于難以被對(duì)撞機(jī)實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，從而導(dǎo)致實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)其限制極其微弱，且結(jié)果嚴(yán)重依賴于理論分析中是否存在其它的新物理假設(shè)。
理論室?guī)r斌副研究員的課題組首次提出利用輕子對(duì)撞機(jī)上（CEPC，ILC，FCC-ee）初態(tài)束流的橫向極化效應(yīng)，即要求初態(tài)正負(fù)電子的自旋方向垂直于運(yùn)動(dòng)方向，從而可以有效地放大這些與自旋方向相關(guān)的偶極相互作用效應(yīng)，并極大改善實(shí)驗(yàn)對(duì)相關(guān)新物理機(jī)制的探測(cè)能力。研究結(jié)果表明通過(guò)該方法對(duì)Z玻色子相關(guān)的偶極相互作用限制比大型強(qiáng)子對(duì)撞LHC和大型正負(fù)電子對(duì)撞機(jī)LEP實(shí)驗(yàn)傳統(tǒng)非極化方法的結(jié)果高出兩個(gè)數(shù)量級(jí)，甚至比低能實(shí)驗(yàn)電子反常磁矩測(cè)量結(jié)果高兩個(gè)量級(jí)。該研究工作同時(shí)開(kāi)創(chuàng)了研究CP破壞效應(yīng)的新方法，且CP破壞參數(shù)的測(cè)量結(jié)果不依賴于CP守恒部分新物理假設(shè)，為下一步利用QCD自旋物理研究方法去探測(cè)新物理效應(yīng)奠定了重要的理論基礎(chǔ)。
圖：橫向極化物理效應(yīng)示意圖（左圖）橫向極化單自旋不對(duì)稱性對(duì)電弱偶極相互作用實(shí)部的限制（中圖）及虛部的限制（右圖）
該論文作者（按姓氏排序）為北京大學(xué)博士生文新鍇、高能所巖斌副研究員（通訊作者）、密歇根州立大學(xué)博士生于志特（現(xiàn)為Jlab 博士后）和 C.-P. Yuan 教授。該研究工作得到了國(guó)家自然科學(xué)基金委、高能所科研啟動(dòng)經(jīng)費(fèi)以及美國(guó)自然科學(xué)基金委的支持。
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https://journals.aps.org/prl/pdf/10.1103/PhysRevLett.131.241801
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