[논문 리뷰] Neutron electric dipole moment in the minimal 3-3-1 model

G. De Conto, V. Pleitez|arXiv (Cornell University)|2016. 06. 06.

Particle physics theoretical and experimental studies인용 수 6

한 줄 요약

이 논문은 복소 3-3-1 모형에서 무거운 스칼라 십육중항을 포함하고 있으며, CP 위반은 복소 삼중선형 결합과 두 개의 복소 진공 기대값에서 기인하는 단일 물리적 위상에서 비롯된다고 가정한다. 여러 초기 위상이 존재하지만 게이지 대칭성 제약 조건을 통해 유일한 물리적 위상만 남게 되며, 이는 위상과 이색 입자 질량에 엄격한 제약을 가한다. 중성자 전기 dipole 모멘트는 실험적 한계를 초과하지 않으며, 새로운 물리적 매개변수의 정밀 조정이 이루어지지 않는 한, 실험적 한계 이하로 제한된다.

ABSTRACT

We calculate the electric dipole moment (EDM) for the neutron in the framework of the minimal 3-3-1 model. We assume that the only source of $CP$ violation arises from a complex trilinear coupling constant and two complex vacuum expectation values. However, from the constraint equations obtained from the potential, only one physical phase remains. We find some constraints on the possible values of this phase and masses of the exotic particles.

연구 동기 및 목표

• 무거운 스칼라 십육중항을 포함한 최소 3-3-1 모형에서 중성자 전기 dipole 모멘트(EDM)를 조사한다.
• 복소 삼중선형 결합과 두 개의 복소 진공 기대값에서 기인하는 CP 위반이 중성자 EDM에 미치는 영향을 분석한다.
• 게이지 대칭성에 의해 독립적인 위상의 수가 감소한 후 남는 유일한 물리적 CP 위반 위상과 이색 입자의 질량에 대한 물리적 제약 조건을 규명한다.
• 중성자 EDM의 실험적 상한 한계를 고려할 때 모형의 타당성을 시험한다.
• 기존 실험적 제약 조건을 위반하지 않으면서도 비제로 중성자 EDM를 유지할 수 있는지 탐색한다.

제안 방법

• 무거운 스칼라 십육중항을 포함한 최소 3-3-1 모형의 스칼라 포텐셜을 구성하며, 복소 삼중선형 결합과 진공 기대값(VEVs)을 포함한다.
• SU(3) 게이지 변환을 적용하여 초기 다섯 개의 위상 중 두 개를 제거함으로써 물리적 CP 위반 위상의 수를 하나로 감소시킨다.
• 스칼라 포텐셜의 도함수로부터 제약 방정식을 유도하여 남은 물리적 위상과 VEV, 결합 상수 간의 관계를 규명한다.
• 이온화된 스칼라와 쿼크를 포함한 1-루프 도형을 사용하여 중성자 EDM을 계산하며, 이색 쿼크의 이중자 히긴스 보손과의 양자역학적 상호작용 기여도를 포함한다.
• 스칼라-광자 정점 상호작용을 평가하여 루프 도형 계산에서 전자기 보정을 포함한다.
• 스칼라 부문의 질량 행렬을 사용하여 양성자 및 이중 양성자 스칼라 상태를 대각화하고, 물리적 질량 고유상태와 그들의 혼합 패턴을 규명한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 최소 3-3-1 모형에서 복소 삼중선형 결합과 복소 VEV의 기여는 중성자 EDM에 어떻게 작용하는가?
• RQ2 게이지 대칭성 제약 조건을 적용한 후 남는 물리적 CP 위반 위상의 수는 몇 개인가?
• RQ3 중성자 EDM의 실험적 상한 한계를 유지하기 위해 허용 가능한 범위는 무엇인가? 이는 물리적 CP 위반 위상과 이색 입자의 질량에 해당한다.
• RQ4 기존의 현상학적 제약 조건을 위반하지 않으면서도 모형이 현재 실험적 한계 근처의 중성자 EDM를 생성할 수 있는가?
• RQ5 양성자 및 이중 양성자 스칼라의 혼합 패턴과 질량 고유상태는 중성자 EDM 계산에 어떻게 영향을 미치는가?

주요 결과

• 게이지 대칭성에 의해 초기 다섯 개의 위상 중 두 개가 제거됨에 따라 복소 결합과 VEV에서 기인한 유일한 물리적 CP 위반 위상만 남는다.
• 중성자 EDM는 복소 삼중선형 결합의 허수부와 이색 스칼라 상태 및 쿼크 상태 간의 혼합에 비례한다.
• 모형은 중성자 EDM가 현재 실험적 한계인 $3.6 \times 10^{-26}\,e\cdot\text{cm}$ 이하로 제한된다고 예측한다 (95% 신뢰수준).
• 물리적 CP 위반 위상과 이색 입자의 질량에 대한 제약 조건이 도출되었으며, 큰 위상 또는 가벼운 이색 스칼라 상태는 정밀 조정이 이루어지지 않는 한 불리하다.
• EDM의 주요 기여는 이중 양성자 스칼라 $Y^{--}$와 $J_R$-형 쿼크를 매개로 하는 복소 삼중선형 결합을 포함한 도형에서 유래한다.
• 스칼라-광자 정점 상호작용은 단일 양성자 스칼라에 대해 $ie(k^{-}-k^{+})_{ u}$, 이중 양성자 스칼라에 대해 $2ie(k^{-}-k^{+})_{ u}$ 로 나타나며, 루프 도형에서 전자기 정점 보정에 핵심적인 역할을 한다.