[論文レビュー] Fundamental Symmetry Tests with Nucleons, Nuclei, and Atoms: A Snowmass Report

Krishna Kumar, Zheng‐Tian Lu+1 more|arXiv (Cornell University)|Dec 19, 2013

Atomic and Molecular Physics参考文献 2被引用数 7

ひとこと要約

このSnowmass報告書は、陽子、原子核、原子を用いた基礎的対称性の検証に関する最先端の提言を要約し、TeVスケールの標準模型を超える新しい物理学を探る。電気双極子モーメント（EDM）、弱い崩壊、パリティの破れ、反水素分光法の超高精度測定を活用することで、この論文は、テーブルトップ実験と加速器実験が、CP対称性の破れ、強い相互作用および電弱相互作用における新しい物理学、CPT対称性を調べるための重要な強度フロンティア戦略であることを明らかにしている。

ABSTRACT

Present and prospective fundamental symmetry tests with nucleons, nuclei and atoms are probing for possible new physics at the TeV scale and beyond. These ongoing and proposed table-top as well as accelerator-based experiments are thus a vital component of the Intensity Frontier. At the same time, these tests provide increasingly sophisticated probes of long-distance strong interactions that are responsible for the structure of nucleons and nuclei. In this community report, some of the most compelling opportunities with nucleons, nuclei and atoms are summarized, drawing largely on input received from the nuclear and atomic physics communities. In particular, this report includes many contributions submitted to two recent Intensity Frontier Workshops.

研究の動機と目的

• 標準模型を超える新しい物理学を探るため、陽子、原子核、原子を用いた基礎的対称性の検証において、最も説得力のある機会を特定・優先順位付けすること。
• 特に強度フロンティア手法を通じて、TeVスケールおよびそれ以上の領域を精密実験がどのように探るかを評価すること。
• 原子物理学、核物理学、素粒子物理学の実験が、CPT対称性、CP対称性の破れ、およびフレーバーおよびバリオン数の破れの新たな源をどのようにテストできるかを評価すること。
• 核物理学および原子物理学コミュニティからの入力を要約し、2回の強度フロンティアワークショップからの貢献を含め、今後の実験的・理論的取り組みを導くこと。
• 対称性の検証と長距離作用する強い相互作用の間の相互作用を強調し、陽子および原子核の構造に関する洞察を提供すること。

提案手法

• 中性子、199Hg、ランタン、その他の原子における電気双極子モーメント（EDM）の超高精度測定を通じて、強い相互作用および電弱相互作用領域におけるCP対称性の破れを検証する、超高精度テーブルトップ実験を活用する。
• 保存リングおよびトラップ技術を用いて、偏極ビームおよびイオントラップにおける中性子および陽子EDMを測定し、TeVスケールの新しい物理学を調べる。
• 反プロトンヘリウムや反水素のような力学的原子のレーザーおよびマイクロ波分光法を適用し、CPT不変性をテストし、陽子と反陽子の質量および電荷の等価性を決定する。
• 中性子ベータ崩壊、パイオンのレプトン的崩壊、原子核崩壊の相関を精密測定することで、CKM行列のユニタリティおよび標準模型以外の相互作用をテストする。
• パリティを破る深部不完全散乱、Møller散乱、原子パリティの破れを用いて、中性弱いカレントの構造および電弱カップリングを調べる。
• CERNのELENAおよびFAIRのFLAIRの今後の施設を活用し、反プロトンの生成と捕捉を強化することで、反水素の高精度分光法を可能にする。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 標準模型を超える新しい物理学を、基礎的対称性の検証を通じて検出するための、最も感受性が高く有望な実験的手法は何か？
• RQ2 中性子および原子のEDMの精密測定は、強い相互作用および電弱相互作用領域におけるCP対称性の破れをどの程度制限できるか？
• RQ3 弱い崩壊の相関およびベータ崩壊の非対称性は、電弱領域における標準模型以外の相互作用や新しい物理学をどの程度明らかにできるか？
• RQ4 反水素分光法および反プロトン的原子は、1ppm未満の精度でCPT不変性をどの程度テストできるか？
• RQ5 ELENAおよびFLAIRのような今後の施設は、反物質実験の精度および反物質における重力測定の進展にどの程度の可能性を秘めているか？

主な発見

• 中性子EDMの観測がなかったことから、強い相互作用におけるCP対称性の破れに対してきびしい制限が得られ、これはアキソンがダークマター候補であることを動機づけている。
• TRAP共同研究グループは、陽子と反陽子の電荷対質量比の相対的偏差が $1.6(9)\times10^{-10}$ であるというCPTテストを達成し、CPT不変性を高い精度で確認した。
• ASACUSAは、反陽子と陽子の質量および電荷の等価性を $<7\times10^{-10}$ の精度で測定し、反陽子の磁気モーメントの偏差を $<2.9\times10^{-3}$ 以内にした。
• ALPHA共同研究グループは、中性反水素を最大1000秒間捕捉し、将来の1S–2S遷移の高精度分光法を可能にした。
• ASACUSA共同研究グループは、くびれトラップを用いて反水素の生成を実証し、基底状態のハイパーファイン構造測定に適した偏極ビームの生成が期待される。
• CERN-ADのAEgIS実験は、反水素の重力的加速度を1％レベルの精度で測定する準備を進め、反物質に対する重力の作用を直接テストする初の試みである。