[論文レビュー] Electric dipole moments and the search for new physics

Ricardo Alarcón, Alexander, Jim+141 more|arXiv (Cornell University)|Mar 15, 2022

Atomic and Subatomic Physics Research被引用数 28

ひとこと要約

このホワイトペーパーは、粒子、原子、分子、および貯蔵環における静的電気偶極モーメント（EDM）が標準模型を超えるCP違反をどのように探るかを概説し、理論、現在の限界、および将来の実験的方針を示す。

ABSTRACT

Static electric dipole moments of nondegenerate systems probe mass scales for physics beyond the Standard Model well beyond those reached directly at high energy colliders. Discrimination between different physics models, however, requires complementary searches in atomic-molecular-and-optical, nuclear and particle physics. In this report, we discuss the current status and prospects in the near future for a compelling suite of such experiments, along with developments needed in the encompassing theoretical framework.

研究の動機と目的

• 標準模型を超える新たなCP違反物理を探る手段としてEDM探索を推進する。
• 有効場理論と格子QCDを介して高エネルギー領域のCP違反と低エネルギーのEDM観測量を結ぶ理論的枠組みを提示する。
• 現状の実験状況（中性子、原子、分子のEDM）を要約し、近い将来の感度目標を概説する。
• 貯蔵リングEDMの概念と、それが陽子、デューテロン、ミューオンのEDMに対して示す潜在的到達範囲を説明する。
• CP違反の起源と宇宙論的含意を診断するため、協調的な多系統EDMプログラムを提唱する。）

提案手法

• 標準模型および標準模型を超えるCP違反フレームワークを用いて、高エネルギースケールの作用素をSM有効場理論を介して低エネルギーのEDMと関連付ける。
• キラルEFTと格子QCDの入力を用いて、クォーク/グルオンレベルのCPV作用素を、ハドニック・核・原子のEDMへ結びつける。
• 中性子、原子、分子、及び貯蔵リングEDM実験における実験能力と系統的誤差を評価する。
• EDM境界から新物理の質量スケール到達を、オーダーオブマグニチュードのスケーリング関係とループ計数を用いて推定する。
• θ̄、クォーク/グルオンEDMs、4体のフェルミオン作用素からの寄与を分離するための、複数方位の実験戦略を提案する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 現時点または近い将来の実験で観測可能なEDMを生み出す高エネルギー領域のCP違反源は何か。
• RQ2 複数の系でのEDM測定をどのように用いて、θ̄と標準模型を超える作用素の寄与を区別できるか。
• RQ3 現在および予測されるEDM感度を考慮した場合、新たなCP違反物理の質量スケール到達はどの程度か（単一系対複数系）？
• RQ4 格子QCDとキラルEFTはハドニックな不確実さをどのように減らし、EDM測定からの制約を鋭敏化できるか。
• RQ5 最も補完的で堅牢なCP違反の発見可能性を提供する実験経路は、中性子、原子/分子、貯蔵リングのいずれか、または組み合わせでどれか。

主な発見

• 静的EDMは、最大CP違反の下でBSMの質量スケールを直接的な衝突実験の到達範囲を超えて探る。
• 現状の中性子EDMのリミットは dn < 1.8×10^-26 e·cm (90%信頼区間)（2020年時点）、今後10–15年で10^-27〜10^-28 e·cmの感度を目指す。
• 原子・分子EDMは電子EDMやクォーククロモEDMsに対して強い制約を提供し、CP violating hadronic interactionsへの補完的アクセスを提供する。
• 貯蔵リングEDM実験（陽子、デューテロン、ミューオン）は、卓越した感度を約10年で達成する可能性があり（例：陽子で10^-29 e·cm）、ダークセクターやアクシオン関連CP違反への到達可能性を示す。
• 単一のEDM測定だけでは基礎となるCP違反源を一意に診断できない。関係する作用素を特定するには、系を横断した協調的な測定が不可欠である。
• 格子QCDとキラルEFTによるハドニックマトリクス要素の理論的不確実性を減らすことは、EDM実験の物理的到達範囲を最大化する上で極めて重要である。