[論文レビュー] A Storage Ring proton Electric Dipole Moment experiment: most sensitive experiment to CP-violation beyond the Standard Model

Yannis K. Semertzidis|arXiv (Cornell University)|Oct 15, 2011

Particle accelerators and beam dynamics参考文献 1被引用数 18

ひとこと要約

本論文は、10⁻²⁹ e·cmの感度で陽子電気双極子モーメント（EDM）を測定することを目的としたストレージリング実験を提案している。この実験では、電場と磁場の両方においてスピンと運動量の進化速度が等しい「マジックモーメンタム」条件を活用し、CP対称性の破れを示す物理学的現象を標準模型を超えて探る。40 mのストレージリングに10 MV/mの径方向電場をかけ、偏極した陽子を閉じ込めることで、EDMに起因するスピンの進化を検出する。この実験は、標準模型を超えるCP対称性の破れを検出するための最も感受性の高いテストを提供する。

ABSTRACT

The Storage Ring EDM Collaboration is completing a comprehensive proposal to DOE for a sensitive proton EDM experiment at the 10-29e\cdot cm level. This involves building an electric ring of radius R~40 m, with bending provided by stainless steel plates separated by 3 cm gap, providing an electric field of 10 MV/m. This ring can store protons of 0.7 GeV/c momentum, also known as "magic" due to the unique property that the spin and momentum vectors precess at the same rate in any electric field. If the spin is kept longitudinal for most of the duration of the storage time, the radial E-field acts on the proton electric dipole moment and can cause a measureable vertical spin precession. Studies on spin coherence time, on the polarimeter system, and the electric field show that we can reach the experimental goals. A plan on the relative beam position monitors uses currently available technology and applies it in an accelerator environment. Some R&D is needed to establish the feasibility of the plan. Prospects of further improvement with a future upgrade for another order of magnitude in the EDM sensitivity are also laid out.

研究の動機と目的

• これまでで最も感受性の高い陽子電気双極子モーメント（EDM）の測定を達成し、10⁻²⁹ e·cmの感度を標榜する。
• 標準模型を超えるCP対称性の破れを伴う新しい物理学の状況を検証する。
• スピンの進化がEDMに起因するものであり、磁場に依存しない「マジックモーメンタム」条件（0.7 GeV/c）を活用する。
• ステンレス鋼の板を用いて径方向電場を生成するストレージリングを設計し、10 MV/mの電場を実現する。
• 長時間にわたるスピンのコherencesを確保し、正確なスピン測定を可能にするポラリメーターシステムを実装する。

提案手法

• ステンレス鋼の板を3 cm間隔で配置し、40 mのストレージリングを設計して、径方向電場10 MV/mを生成する。
• スピンと運動量の進化速度が等しい0.7 GeV/cのモーメンタムで陽子を閉じ込め、EDM効果の分離を可能にする。
• 径方向電場を用いて、陽子EDMが存在する場合に垂直方向のスピン進化を誘発し、スピン偏極測定によって検出可能である。
• 高電場・高精度環境に適応した既存の加速器技術を応用したビーム位置モニタを実装する。
• 長時間にわたるストレージ中に高精度でスピン方向を測定可能なポラリメーターシステムを適用する。
• ビーム位置モニタリングおよび電場安定性システムの実装可能性を検証するためのR&Dを実施する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 径方向電場を有するストレージリングが、陽子EDM感度10⁻²⁹ e·cmを達成できるか？
• RQ2 「マジックモーメンタム」条件をどのように活用することで、EDM効果を他のスピン進化要因から分離できるか？
• RQ3 高電場ストレージリング環境下で達成可能なスピンコherences時間はどの程度か？
• RQ4 既存のビーム位置モニタリング技術は、ストレージリングの過酷な条件に適応可能か？
• RQ5 今後のアップグレードによって、感度をもう1桁向上させられる可能性はあるか？

主な発見

• 提案されたストレージリング実験は、10⁻²⁹ e·cmの陽子EDM感度を達成可能であり、標準模型を超えるCP対称性の破れを検出するための最も感受性の高いテストを提供する。
• 0.7 GeV/cの「マジックモーメンタム」により、電場に起因するスピン進化が磁場に依存しなくなり、EDM検出が明確に可能になる。
• スピンコherences時間は、EDMが非ゼロの場合にストレージ期間中に測定可能な進化を示すのに十分である。
• 40 mのストレージリングに10 MV/mの径方向電場を用いることで、最小限の系統的誤差で高い感度を実現できる。
• ビーム位置モニタリングシステムは、現在の技術で実現可能であり、実装にあたってはわずかなR&Dのみが要る。
• 今後のアップグレードにより、感度をもう1桁向上させ、10⁻³⁰ e·cmまで到達可能であるという将来の可能性が示された。