轴子类粒子与μ子原子中的轻子味破坏

我们探索了 Mu2e 实验在简化的轴子类粒子 (ALP) 框架下探测μ子原子中轻子味破坏过程 $\mu^- e^- \to e^- e^-$ 的潜力。该框架具有味破坏的 $e$-$\mu$ 耦合和与电子的味对角赝标量耦合，这也允许 ALP 可能不可见地衰变到暗区。我们计算了 ALP 介导的对跃迁率的贡献，并表明在固定耦合下，分支比随更轻的媒介粒子而增加，并按 $(Z-1)^3$ 缩放，有利于更重的原子核。我们将该模型与来自 $\mu\to e\gamma$、$\mu\to 3e$、$\mu\to e\gamma\gamma$、$\mu\to e+\mathrm{inv}$ 和μ子素-反μ子素转换的约束，以及来自电子和μ子反常磁矩的约束进行了比较。还讨论了电子耦合的额外天体物理和束流倾倒限制。一个关键结果是 $\Delta a_e$ 提供了参数空间最严格的探针之一，并且在全局扫描中排除了最大比例的采样点。在应用扫描中使用的实验室约束后，铝中 $\mu^- e^- \to e^- e^-$ 的可行分支比降至最多 $\mathcal{O}(10^{-20})$，而共振区域 $2m_e<m_a<m_\mu-m_e$ 受到的抑制更为严重。可达到的最高值与接近其当前极限的 $\mathcal{B}(\mu\to 3e)$ 密切相关，表明即将进行的 Mu3e 实验将探索与该μ子原子信号最相关的有前景区域。我们的分析表明，尽管轻 ALP 可以在固定耦合下参数化地增强 $\mu^- e^- \to e^- e^-$，但现有界限——尤其是 $\Delta a_e$、$\mu\to 3e$、$\mu\to e\gamma$ 和μ子素振荡——严重限制了可观测的速率。