[논문 리뷰] Electric dipole moments and the search for new physics

Ricardo Alarcón, Alexander, Jim외 141명|arXiv (Cornell University)|2022. 03. 15.

Atomic and Subatomic Physics Research인용 수 28

한 줄 요약

이 백서 리뷰는 정적 전기 쌍극 모멘트(EDM)가 입자, 원자, 분자, 저장 링에서 표준모델 밖의 CP 위반을 어떻게 탐지하는지 검토하며 이론, 현재 한계, 향후 실험 경로를 개략적으로 제시한다.

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.

연구 동기 및 목표

• 표준모델 너머의 새로운 CP 위반 물리학의 탐구로서 EDM 탐색을 촉진한다.
• 효과적 이론과 격자 QCD를 통해 고에너지 CP 위반과 저에너지 EDM 관측가능성과를 연결하는 이론적 프레임워크를 제시한다.
• 현재 실험 현황(중성자, 원자, 분자 EDM) 요약하고 곧 도달할 민감도 목표를 제시한다.
• 저장 링 EDM 개념과 양성자, 중수소 핵, 그리고 뮤온 EDM의 잠재적 도달 범위를 설명한다.
• CP 위반의 기원과 우주론적 함의를 규명하기 위한 다 시스템의 EDM 프로그램의 조정된 협력을 옹호한다.

제안 방법

• 표준모델 및 표준모델 외 CP 위반 프레임워크를 사용하여 고에너지 스케일 연산자를 SM 유효 이론을 통해 저에너지 EDM과 연결한다.
• 입자-핵 수준 CPV 연산자를 hadronic, 핵, 원자 EDM에 연결하기 위해 활발한 카이랄 EFT과 격자 QCD 입력을 활용한다.
• 중성자, 원자, 분자, 저장 링 EDM 실험 전반에 걸친 실험 능력과 시스템atics를 평가한다.
• EDM 경계치를 바탕으로 질량 규모 도달 가능성을 대략적인 스케일링 관계와 루프 계산으로 추정한다.
• θ̄, 쿼크/글루온 EDM, 및 4-페르솜 연산자에서의 기여를 구분하기 위한 다방향의 실험 전략을 제안한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 현재 또는 가까운 미래의 실험에서 관측 가능한 EDM을 생성할 수 있는 고에너지 스케일 CP 위반 소스는 무엇인가?
• RQ2 여러 시스템에서의 EDM 측정이 θ̄ 대표준모델 초과 연산자의 기여를 어떻게 구분하는 데 활용될 수 있는가?
• RQ3 현재 및 예상 EDM 민감도(단일 시스템 대 다중 시스템)에 따라 새로운 CP 위반 물리의 추정 질량 규모 도달 범위는 어느 정도인가?
• RQ4 격자 QCD와 카이랄 EFT가 hadronic 불확실성을 얼마나 줄여 EDM 측정의 제약을 강화할 수 있는가?
• RQ5 실험 경로들(중성자, 원자/분자, 저장 링)이 CP 위반에 대해 가장 상호 보완적이고 확고한 탐지 가능성을 제공하는가?

주요 결과

• 정적 EDM은 최대 CP 위반하에서 직접 충돌기 접근을 훨씬 넘어서는 BSM 질량 스케일을 탐지한다.
• 현재 중성자 EDM 한계는 dn < 1.8×10^-26 e·cm (90% 신뢰구간) 로 2020년 기준이며, 향후 10–15년 안에 10^-27~10^-28 e·cm를 목표로 한다.
• 원자 및 분자 EDM은 전자 EDM과 쿼크 크로모-EDM에 대한 강한 제약을 제공하고, CP-위반 하드로닉 상호작용에 대한 보완적인 접근을 제공한다.
• 저장 링 EDM 실험(양성자, 중수소 핵, 뮤온)은 뛰어난 민감도를 약속하며(예: 약 10년 내 양성자에 대해 10^-29 e·cm), 다크 섹터나 axion 관련 CP 위반에 대한 잠재적 도달 범위를 제시한다.
• 단일 EDM 측정으로는 근본적인 CP 위반 원인을 고유하게 진단할 수 없으며, 책임 있는 연산자를 식별하기 위해 시스템 간의 조정된 다수의 측정이 필수적이다.
• 격자 QCD와 카이랄 EFT를 통한 하드로닉 매트릭스 요소의 이론적 불확실성 축소가 EDM 실험의 물리적 도달 가능성을 극대화하는 데 결정적이다.