[논문 리뷰] Nucleon tensor charge and electric dipole moment

H. Gao, Tianbo Liu외 1명|arXiv (Cornell University)|2017. 04. 01.

Particle physics theoretical and experimental studies인용 수 1

한 줄 요약

이 논문은 양성자 EDM 측정값과 텐서 전하 추정치를 사용하여 쿼크 전기 dipole 모멘트(EDM)를 조사하며, 4 GeV² 스케일에서 업 쿼크에 대해 1.27×10⁻²⁴ e·cm, 다운 쿼크에 대해 1.17×10⁻²⁴ e·cm의 현재 실험적 한계를 설정한다. 또한 향후 실험들이 이러한 제약 조건을 약 세 배수 정도 향상시킬 것으로 예측하며, 전자약력 스케일을 초월한 새로운 물리 현상에 대한 민감도를 크게 향상시킬 것으로 기대된다.

ABSTRACT

The electric dipole moments (EDMs) of nucleons are sensitive probes of additional $\cal CP$ violation sources beyond the standard model to account for the baryon number asymmetry of the universe. As a fundamental quantity of the nucleon structure, tensor charge is also a bridge that relates nucleon EDMs to quark EDMs. With a combination of nucleon EDM measurements and tensor charge extractions, we investigate the experimental constraint on quark EDMs, and its sensitivity to $\cal CP$ violation sources from new physics beyond the electroweak scale. We obtain the current limits on quark EDMs as $1.27 imes10^{-24}\,e\cdot{ m cm}$ for the up quark and $1.17 imes10^{-24}\,e\cdot{ m cm}$ for the down quark at the scale of $4\, m GeV^2$. We also study the impact of future nucleon EDM and tensor charge measurements, and show that upcoming new experiments will improve the constraint on quark EDMs by about three orders of magnitude leading to a much more sensitive probe of new physics models.

연구 동기 및 목표

• 양성자 EDM 측정값과 텐서 전하 데이터를 사용하여 쿼크 전기 dipole 모멘트(EDM)를 제약 조건화하기.
• 현재 및 향후 실험의 민감도를 표준모형을 초월한 CP 위반 원천에 대해 평가하기.
• 핵자 수준의 EDM과 쿼크 수준의 EDM 사이의 관계를 텐서 전하를 핵심적인 구조적 연결고리로 연결하기.
• 향후 실험의 잠재적 성능을 기반으로 쿼크 EDM 제약 조건을 크게 향상시킬 수 있는지 평가하기.

제안 방법

• 양성자 EDM 실험 데이터와 라티스 QCD 또는 효과적 양자장이론에서 유도된 텐서 전하 값의 조합.
• 텐서 전하를 이론적 다리로 활용하여 핵자 수준의 EDM을 쿼크 수준의 EDM으로 연결하기.
• 쿼크 EDM 제약 조건을 전자약력 스케일에서 4 GeV² 스케일로 레노멀라이제이션 그룹 진동을 적용하여 이동시키기.
• 핵자 EDM 및 텐서 전하 데이터의 글로벌 피팅을 수행하여 쿼크 EDM 제약 조건을 추출하기.
• 표준모형을 초월한 CP 위반 상호작용을 모델링하기 위해 효과적 양자장이론 기법 사용하기.
• 향후 민감도를 예측하기 위해 양성자 EDM 및 텐서 전하에 대한 향상된 실험 정밀도를 시뮬레이션하기.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 양성자 EDM 및 텐서 전하 측정값에서 유도된 쿼크 EDM의 현재 실험적 한계는 무엇인가?
• RQ2 양성자 EDM는 전자약력 스케일을 초월한 새로운 물리 현상의 CP 위반 원천에 얼마나 민감한가?
• RQ3 향후 양성자 EDM 및 텐서 전하 측정이 쿼크 EDM 제약 조건을 얼마나 향상시킬 수 있는가?
• RQ4 텐서 전하는 양성자 EDM와 쿼크 EDM 사이의 관계를 어떻게 매개하는가?
• RQ5 향후 실험을 통해 쿼크 EDM 제약 조건에 대한 민감도 향상은 어느 정도 예상되는가?

주요 결과

• 현재 업 쿼크 EDM에 대한 실험적 한계는 4 GeV² 스케일에서 1.27×10⁻²⁴ e·cm이다.
• 현재 다운 쿼크 EDM에 대한 실험적 한계는 4 GeV² 스케일에서 1.17×10⁻²⁴ e·cm이다.
• 향후 양성자 EDM 및 텐서 전하 측정이 쿼크 EDM 제약 조건을 약 세 배수 정도 향상시킬 것으로 예측된다.
• 텐서 전하는 핵자 수준의 EDM과 쿼크 수준의 EDM 사이의 핵심적인 이론적 연결고리로 기능한다.
• 양성자 EDM 및 텐서 전하에 대한 실험 정밀도 향상은 CP 위반을 포함한 새로운 물리 모델에 대한 민감도를 크게 향상시킬 것이다.
• 결과는 쿼크 EDM가 여전히 전자약력 스케일을 초월한 새로운 물리 현상 탐지에 매우 강력한 탐사 도구임을 보여준다.