[논문 리뷰] A Storage Ring proton Electric Dipole Moment experiment: most sensitive experiment to CP-violation beyond the Standard Model

Yannis K. Semertzidis|arXiv (Cornell University)|2011. 10. 15.

Particle accelerators and beam dynamics참고 문헌 1인용 수 18

한 줄 요약

이 논문은 전자의 전기 dipole moment(EDM)를 10⁻²⁹ e·cm의 감도로 측정하기 위한 저장 고리 실험을 제안한다. 이 실험은 전기장과 자기장에서 스핀과 운동량이 같은 속도로 프리세스하는 '마법의 운동량 조건'을 활용한다. 40m 고리에 10 MV/m의 반경 방향 전기장을 적용하여 극화된 양성자를 저장함으로써, EDM에 의해 유도되는 스핀 프리세스를 측정하며, 이는 표준모형을 초월한 CP 위반 물리학에 대한 가장 민감한 시험을 제공한다.

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.

연구 동기 및 목표

• 현재까지 가장 민감한 측정을 달성하기 위해 10⁻²⁹ e·cm의 감도를 목표로 한 양성자 전기 dipole moment(EDM) 측정.
• 표준모형을 초월한 새로운 물리 현상, 특히 CP 위반을 탐색.
• 스핀 프리세스가 EDM에 의해 최대로 민감하고 자기장에 영향을 받지 않는 '마법의 운동량 조건'(0.7 GeV/c)을 활용.
• 스테인리스 강판을 사용해 반경 방향 전기장을 생성하는 저장 고리 설계.
• 긴 스핀 공명 시간을 확보하고 정밀한 스핀 측정을 위한 극화계 시스템을 구현.

제안 방법

• 스테인리스 강판을 3cm 간격으로 배열하여 40m 저장 고리 설계로 반경 방향 전기장을 10 MV/m 생성.
• 스핀과 운동량이 같은 속도로 프리세스하는 0.7 GeV/c의 운동량에서 양성자를 저장함으로써 EDM 효과를 분리 가능하게 함.
• 반경 방향 전기장을 사용해 만약 양성자 EDM가 존재한다면 수직 스핀 프리세스를 유도하며, 스핀 극화 측정을 통해 이를 감지.
• 고장력 및 고정밀 환경에 적합한 기존 가속기 기술을 응용한 비드 위치 모니터링 시스템 구현.
• 장시간 저장 기간 동안 정확도를 높여 스핀 방향을 측정하기 위해 극화계 시스템 적용.
• 비드 위치 모니터링 및 전기장 안정성 시스템의 실현 가능성을 검증하기 위한 연구 및 개발(R&D) 수행.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 반경 방향 전기장을 갖춘 저장 고리가 10⁻²⁹ e·cm의 양성자 EDM 감도를 달성할 수 있는가?
• RQ2 '마법의 운동량 조건'을 어떻게 활용하여 다른 스핀 프리세스 원인에서 EDM 효과를 분리할 수 있는가?
• RQ3 고전기장 저장 고리 환경에서 확보 가능한 스핀 공명 시간은 얼마인가?
• RQ4 기존의 비드 위치 모니터링 기술이 저장 고리의 엄격한 조건에 적합하게 적용될 수 있는가?
• RQ5 향후 업그레이드를 통해 감도를 한 단계 더 향상시켜 10⁻³⁰ e·cm까지 도달할 수 있는가?

주요 결과

• 제안된 저장 고리 실험은 10⁻²⁹ e·cm의 양성자 EDM 감도를 확보할 수 있으며, 이는 표준모형을 초월한 CP 위반에 대한 가장 민감한 시험을 제공한다.
• 0.7 GeV/c의 '마법의 운동량' 조건은 전기장에 의한 스핀 프리세스가 자기장에 영향을 받지 않음을 보장하여 청소년적 EDM 검출이 가능하다.
• 스핀 공명 시간이 충분하여 비제로인 EDM에 의해 유도된 프리세스가 저장 기간 동안 측정 가능하다.
• 40m 고리에서 10 MV/m의 반경 전기장을 사용함으로써 최소한의 시스템적 오차로 높은 감도를 확보할 수 있다.
• 기존 기술을 활용한 비드 위치 모니터링 시스템은 실현 가능하며, 구현을 위한 소규모 R&D만 필요하다.
• 향후 업그레이드 경로가 존재하여 감도를 한 단계 더 향상시켜 10⁻³⁰ e·cm까지 도달할 수 있다.