[논문 리뷰] Fundamental Symmetry Tests with Nucleons, Nuclei, and Atoms: A Snowmass Report

Krishna Kumar, Zheng‐Tian Lu외 1명|arXiv (Cornell University)|2013. 12. 19.

Atomic and Molecular Physics참고 문헌 2인용 수 7

한 줄 요약

이 스노우마스 보고서는 뉴클론, 핵, 원자를 이용한 기본 대칭성 검증을 통해 테바 스케일의 새로운 물리학을 탐구하기 위한 최첨단 제안을 종합한다. 전기 dipole moment(EDM), 약한 붕괴, 파리티 위반, 반수소 광학 스펙트로스코피와 같은 초정밀 측정을 활용하여, 이 논문은 테이블탑 및 가속기 기반 실험들이 CP 위반, 강한 상호작용과 전자기상호작용에서의 새로운 물리학, CPT 대칭성에 대한 중요한 강도 전면 전략으로 기능할 수 있음을 설명한다.

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.

연구 동기 및 목표

• 표준모형을 초월한 새로운 물리학을 탐구하기 위해 뉴클론, 핵, 원자를 이용한 기본 대칭성 검증에서 가장 매력적인 기회를 식별하고 우선순위를 정하는 것.
• 정밀 실험의 역할을 테바 스케일 및 그 이상을 탐구하는 데서 평가하고, 특히 강도 전면 접근법을 중심으로 한다.
• 원자, 핵, 입자물리 실험의 잠재력을 CPT 대칭성, CP 위반, 그리고 새로운 플레이버 및 빈도수 위반의 원천을 테스트하는 데 평가하는 것.
• 핵물리학 및 원자물리학 공동체의 기여를 요약하고, 두 개의 강도 전면 워크숍의 기여를 포함하여 향후 실험적·이론적 노력의 방향을 안내하는 것.
• 대칭성 검증과 장거리 강한 상호작용 사이의 상호작용을 강조하여 뉴클론 및 핵의 구조에 대한 통찰을 제공하는 것.

제안 방법

• 중성자, 199Hg, 라듐 및 기타 원자에서 전기 dipole moment(EDM)를 측정하기 위해 초정밀 테이블탑 실험을 활용하여 강한 상호작용 및 전자기상호작용 부문의 CP 위반을 테스트한다.
• 저장 고리 및 트랩 기반 기술을 사용하여 중성자 및 양성자 EDM을 측정하며, 극화된 비임과 이온 트랩을 포함하여 테바 스케일에서의 새로운 물리학을 탐색한다.
• 반양성자 수소 및 반양성자 수소 원자와 같은 이국적 원자를 레이저 및 마이크로파 스펙트로스코피로 분석하여 CPT 불변성과 양성자 및 반양성자 질량 및 전하의 동등성을 테스트한다.
• 중성자 베타 붕괴, 파이온 레프톤 붕괴, 핵 붕괴 상관관계와 같은 약한 붕괴의 정밀 측정을 수행하여 CKM 단위성과 비표준 상호작용을 테스트한다.
• 파리티 위반 깊은 산란, Møller 산란, 원자 파리티 위반을 적용하여 중성 약한 상호작용의 구조와 전자기상호작용 결합을 탐구한다.
• CERN의 ELENA 및 FAIR의 FLAIR와 같은 향후 시설을 활용하여 반양성자 생산 및 포획 능력을 향상시키고, 반수소의 고정밀 스펙트로스코피를 가능하게 한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 표준모형을 초월한 새로운 물리학을 기본 대칭성 검증을 통해 탐지하기 위한 가장 민감하고 유망한 실험적 접근법은 무엇인가?
• RQ2 중성자 및 원자 EDM의 정밀 측정은 강한 상호작용 및 전자기상호작용 부문의 CP 위반을 어떻게 제약할 수 있는가?
• RQ3 약한 붕괴 상관관계와 베타 붕괴 이방성은 전자기상호작용 부문의 비표준 상호작용 또는 새로운 물리학을 어떻게 드러낼 수 있는가?
• RQ4 반수소 스펙트로스코피와 반양성자 수소 원자는 어떤 수준의 정밀도로 CPT 불변성을 테스트할 수 있는가?
• RQ5 ELENA 및 FLAIR와 같은 향후 시설은 반물질 실험의 정밀도와 반물질에 의한 중력 측정의 발전 잠재력을 어떻게 향상시킬 수 있는가?

주요 결과

• 중성자 EDM의 관측 불능은 강한 상호작용에서의 CP 위반에 엄격한 제약을 둔다. 이는 악시온이 암흑물질 후보로 여겨지게 하는 이유가 된다.
• TRAP 협동 연구팀은 양성자 및 반양성자 질량 대 전하 비율의 상대적 편차를 $1.6(9)\times10^{-10}$ 수준으로 측정하여 CPT 불변성이 고정밀도로 확인되었다.
• ASACUSA는 반양성자 대 양성자 질량 및 전하의 동등성을 $<7\times10^{-10}$ 정밀도로 측정하였고, 반양성자 자화모멘트의 편차는 $<2.9\times10^{-3}$ 이하로 측정하였다.
• ALPHA 협동 연구팀은 중성 반수소를 최대 1000초 동안 포획하여 향후 1S–2S 전이의 고정밀 스펙트로스코피를 가능하게 하였다.
• ASACUSA 협동 연구팀은 쿠스 트랩에서 반수소를 형성하는 데 성공하였으며, 이는 기저 상태의 초미세구조 측정을 위한 극화된 비임을 생성할 것으로 예상된다.
• CERN-AD의 AEgIS 실험은 반수소의 중력 가속도를 % 수준의 정밀도로 측정하기 위해 준비 중이며, 이는 반물질과 중력의 상호작용을 직접 테스트하는 첫 번째 시도이다.