[論文レビュー] A new bound on the electron's electric dipole moment

Tanya Roussy, Luke Caldwell+9 more|arXiv (Cornell University)|Dec 22, 2022

Dark Matter and Cosmic Phenomena被引用数 17

ひとこと要約

本研究では、強い内部電場を有するレーザー冷却されたHfF⁺分子イオンを用いて、電子の電気双極子モーメント（eEDM）の測定精度をこれまでで最も高めた。結果は $ d_e = (-1.3 \pm 2.0_{\text{stat}} \pm 0.6_{\text{syst}}) \times 10^{-30} \, \text{e} \cdot \text{cm} $ であり、ゼロと整合的で、90%信頼区間において $ |d_e| < 4.1 \times 10^{-30} \, \text{e} \cdot \text{cm} $ の新しい上限を設定した。これは、LHCの到達範囲を超える新しい物理学を探索する上で、前回の最良限界に対して約2.4倍の改善を達成した。

ABSTRACT

The Standard Model cannot explain the dominance of matter over anti-matter in our universe. This imbalance indicates undiscovered physics that violates combined CP symmetry. Many extensions to the Standard Model seek to explain the imbalance by predicting the existence of new particles. Vacuum fluctuations of the fields associated with these new particles can interact with known particles and make small modifications to their properties; for example, particles which violate CP symmetry will induce an electric dipole moment of the electron (eEDM). The size of the induced eEDM is dependent on the masses of the new particles and their coupling to the Standard Model. To date, no eEDM has been detected, but increasingly precise measurements probe new physics with higher masses and weaker couplings. Here we present the most precise measurement yet of the eEDM using electrons confined inside molecular ions, subjected to a huge intra-molecular electric field, and evolving coherently for up to 3 s. Our result is consistent with zero and improves on the previous best upper bound by a factor $\sim2.4$. Our sensitivity to $10^{-19}$ eV shifts in molecular ions provides constraints on broad classes of new physics above $10^{13}$ eV, well beyond the direct reach of the LHC or any other near- or medium-term particle collider.

研究の動機と目的

• 内部電場が強化された分子イオン系を用いて、電子の電気双極子モーメント（eEDM）の実験的限界を改善すること。
• 宇宙における物質-反物質非対称性を説明できる新しいCP対称性の破れ源を、標準模型を超えた新しい物理学として探ること。
• 長時間のコherencesを実現する捕獲イオン系において、量子プロジェクションノイズ制限の感度を達成し、非ゼロeEDMに起因する微小なエネルギーシフトを検出すること。
• スレーブスミソトロピーと2ヒッグスモデルを含む、新しい粒子の有効質量スケールをより厳密に制限することで、新しい物理学のモデルを制約すること。
• ThO分子を用いたACME実験とは異なった分子プラットフォームを用いることで、eEDMと電子-核スカラー結合定数 $ C_S $ の両方に対する補完的制限を可能にすること。

提案手法

• 内部電場に沿ってスピン状態が重ね合わせ状態に準備された、レーザー冷却されたHfF⁺分子イオンを線形パウルトラップに閉じ込めた。
• HfF⁺の $ ^3\Delta_1 $ 态における2つのハイパーファインデュアレットを用いたラーマン分光法を実施し、eEDMによるエネルギー分裂 $ \Delta E = \pm 2d_e \mathcal{E}_{\text{eff}} $ に感応させる。
• 外部電場（約58 V/cm）を印加して分子イオンを整列させ、内部電場 $ \mathcal{E}_{\text{eff}} \approx 23 \, \text{GV/cm} $ を量子化軸と一致させた。
• 2つのデュアレットの空間的に重なったイオンクラスタを同時に測定することで、共通モードの系統的シフトをキャンセルし、差分周波数シフトに対する感度を向上させた。
• 最大3秒のインタラクション時間で、数百個のイオンに対して量子プロジェクションノイズ制限の分光法を適用し、統計的不確実性を最小限に抑えた。
• 分子構造計算から既知の $ \mathcal{E}_{\text{eff}} $ と $ h $ を用いて、測定された周波数シフトからeEDMを補正し、関係式 $ d_e = f^{DB} / (-2 \mathcal{E}_{\text{eff}} \cdot \text{sgn}(g_F)/h) $ を用いた。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 捕獲された分子イオンを用いた実験で、電子の電気双極子モーメント（eEDM）に対する最も厳密な実験的上限は何か？
• RQ2 eEDM測定は、現在の加速器の到達範囲を超えるエネルギースケールにおけるCP対称性の破れを示す新しい物理学モデルをどの程度まで制限できるか？
• RQ3 本研究のHfF⁺ベースの実験結果と、ThO分子を用いたACME共同研究の結果を比較すると、eEDMおよび $ C_S $ カップリングに対する組み合わせ感度はどのようになるか？
• RQ4 前回の最良限界に対して感度を約2.4倍向上させることは可能か？また、測定における主要な不確実性要因は何か？
• RQ5 新しい限界が得られたことを踏まえ、1ループレベルでeEDMを生成する標準模型の拡張理論が予測する新しい粒子の有効質量スケールは何か？

主な発見

• 測定されたeEDMは $ d_e = (-1.3 \pm 2.0_{\text{stat}} \pm 0.6_{\text{syst}}) \times 10^{-30} \, \text{e} \cdot \text{cm} $ であり、1標準偏差の範囲内でゼロと整合的である。
• 90%信頼区間における新しい上限は $ |d_e| < 4.1 \times 10^{-30} \, \text{e} \cdot \text{cm} $ であり、ACME共同研究による前回の最良限界に対して約2.4倍の改善を達成した。
• 感度は、新しい物理学の有効粒子質量 $ M/g \gtrsim 40 \, \text{TeV}/\alpha^{1/2} $ の範囲まで到達でき、LHCの直接的到達範囲を1桁以上上回る。
• ACMEの結果と組み合わせたグローバルフィットでは、$ |d_e| < 2.1 \times 10^{-29} \, \text{e} \cdot \text{cm} $ および $ |C_S| < 1.9 \times 10^{-9} $ が90%信頼区間で得られ、過去の組み合わせ限界に対してそれぞれ16倍および12倍の改善が達成された。
• 本結果は、わずかに1標準誤差を超える範囲でACME結果と整合的であり、異なる実験プラットフォームおよび系統的誤差要因に対しても堅牢であることが示された。
• eEDMは $ d_e \propto M^{-2} $ のようにスケーリングするため、標準模型の拡張理論におけるCP対称性の破れを示すモデルは、前回の限界と比較して質量感度が1.5倍向上している。