[論文レビュー] Theoretical Prediction and Impact of Fundamental Electric Dipole Moments

Sebastian A. R. Ellis, Gordon Kane|arXiv (Cornell University)|May 29, 2014

Particle physics theoretical and experimental studies参考文献 11被引用数 5

ひとこと要約

この論文は、コンパクト化されたM理論における電子および中性子の電気双極子モーメント（EDM）の上限を予測し、EDMが標準模型のヤコビ相のランニングが電弱スケールに至ることに起因することを示している。新しい物理学が存在しても、EDMは電子では$5 \times 10^{-30}~e\text{cm}$未満、中性子では$5 \times 10^{-29}~e\text{cm}$未満に制限され、任意のCP位相を含まないM理論にインspiredされたモデルに対する重要な検証を提供する。

ABSTRACT

The predicted Standard Model (SM) electric dipole moments (EDMs) of electrons and quarks are tiny, providing an important window to observe new physics. Theories beyond the SM typically allow relatively large EDMs. The EDMs depend on the relative phases of terms in the effective Lagrangian of the extended theory, which are generally unknown. Underlying theories, such as string/M-theories compactified to four dimensions, could predict the phases and thus EDMs in the resulting supersymmetric (SUSY) theory. Earlier one of us, with collaborators, made such a prediction and found, unexpectedly, that the phases were predicted to be zero at tree level in the theory at the unification or string scale $\sim\mathcal{O}(10^{16}$ GeV). Electroweak (EW) scale EDMs still arise via running from the high scale, and depend only on the SM Yukawa couplings that also give the CKM phase. Here we extend the earlier work by studying the dependence of the low scale EDMs on the constrained but not fully known fundamental Yukawa couplings. The dominant contribution is from two loop diagrams and is not sensitive to the choice of Yukawa texture. The electron EDM should not be found to be larger than about $ 5 imes 10^{-30} e$ cm, and the neutron EDM should not be larger than about $5 imes 10^{-29}e$ cm. These values are quite a bit smaller than the reported predictions from Split SUSY and typical effective theories, but much larger than the Standard Model prediction. Also, since models with random phases typically give much larger EDMs, it is a significant testable prediction of compactified M-theory that the EDMs should not be above these upper limits. The actual EDMs can be below the limits, so once they are measured they could provide new insight into the fundamental Yukawa couplings of leptons and quarks. We comment also on the role of strong CP violation. EDMs probe fundamental physics near the Planck scale.

研究の動機と目的

• コンパクト化されたM理論に基づく物理学の根本的理論において、電子および中性子の電気双極子モーメント（EDM）を制約すること。
• CKM位相の原因である超電磁的相互作用の超位相に起因するCP対称性の破れ位相が、量子補正を通じて低エネルギーEDMをどのように生成するかを特定すること。
• 一般効果的理論やスプリットSUSYとは著しく小さいEDMの予測を提供し、それらが根本的なヤコビテクスチャを調べる手がかりとなるようにすること。
• EDM観測量における強いCP対称性の破れと弱スケールのCP対称性の破れの役割を評価すること。

提案手法

• 2ループのBarr-Zee図と1ループのSUSY図を用いてEDMを計算し、主要寄与は3世代のスクォーク（ストップおよびスバット）のループに由来する。
• 統一スケール（約10¹⁶ GeV）から電弱スケールまで、高エネルギーのヤコビカップリングからの位相の進化を追跡するため、重正化群のランニングを適用する。
• EDMの式を、三重項カップリングおよびソフト対称性破れ質量の虚部の関数として導出し、位相依存性は超位相のヤコビカップリングに依存する。
• さまざまなヤコビテクスチャのシナリオを検討し、主な2ループ寄与がテクスチャの選択に依存しないことを示す。
• 2ループ関数$ F(r) $およびその微分$ F'(r) $を用いてBarr-Zee寄与の振幅を計算し、質量スケール$ M_A $、$ m_{\tilde{q}} $、および$ m_f $を含む。
• 寄与が小さいためBarr-Zee寄与を無視し、主に2ループ図と二次的になじみの薄い1ループ図に焦点を当てる。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 任意の任意のCP位相を含まないコンパクト化されたM理論において、電子および中性子のEDMの上限は何か？
• RQ2 超位相に由来するヤコビカップリングのCP対称性の破れ位相が、量子補正を通じて低エネルギーEDMをどのように生成するか？
• RQ3 なぜ予測されるEDMが、一般効果的理論やスプリットSUSYモデルの予測よりも著しく小さいのか？
• RQ4 異なるヤコビテクスチャの選択に対して、これらのEDM予測はどれほど頑健か？また、主な寄与はテクスチャの詳細に依存するか？
• RQ5 将来的なEDM測定は、クォークおよびレプトンの根本的ヤコビカップリングを制約できるか？

主な発見

• 電子のEDMは$ 5 \times 10^{-30}~e\text{cm}$未満であると予測され、一般的なスプリットSUSYや効果的場理論の予測よりも顕著に小さい。
• 中性子のEDMは$ 5 \times 10^{-29}~e\text{cm}$未満であると予測され、M理論のコンパクト化の検証に厳しいテストを提供する。
• 主なEDM寄与は、3世代のスクォークを含む2ループ図に由来し、ヤコビテクスチャの具体的な形に依存しない。
• 1ループ寄与は二次的であり、全体の上限に影響しない。
• 結果は、高エネルギーの超位相におけるCP対称性の破れ位相が一様に整列しており、任意ではないため、EDMが抑制されていることに起因する。
• 予測は検証可能である：将来的なEDM実験でこれらの上限を超える値が得られれば、本研究で検討された特定のM理論コンパクト化フレームワークは排除されることになる。