[논문 리뷰] The storage ring proton EDM experiment

Alexander, Jim, V. Anastassopoulos외 75명|arXiv (Cornell University)|2022. 04. 25.

Dark Matter and Cosmic Phenomena인용 수 6

한 줄 요약

이 논문은 수직 극화 회전을 이용한 하이브리드 대칭 레이슬레이스를 사용하여 체계적 오차를 억제함으로써 $10^{-29}~{}e\cdot\text{cm}$의 민감도를 갖는 양성자 전기 dipole moment (EDM) 측정을 위한 저장 고리 실험을 제안한다. 이 방법은 힉스 섹터에서의 CP 위반을 가장 민감하게 탐지할 수 있으며, $\theta_{\text{QCD}}$에 대한 민감도를 세 개의 지수 단위 향상시켜 뉴 피ysics 스케일 $10^3~{}\text{TeV}$에 도달한다.

ABSTRACT

We describe a proposal to search for an intrinsic electric dipole moment (EDM) of the proton with a sensitivity of argetsens, based on the vertical rotation of the polarization of a stored proton beam. The New Physics reach is of order $10^~3$TeV mass scale. Observation of the proton EDM provides the best probe of CP-violation in the Higgs sector, at a level of sensitivity that may be inaccessible to electron-EDM experiments. The improvement in the sensitivity to $θ_{QCD}$, a parameter crucial in axion and axion dark matter physics, is about three orders of magnitude.

연구 동기 및 목표

• 현재의 한계를 뛰어넘어 $10^{-29}~{}e\cdot\text{cm}$ 수준의 양성자 EDM 민감도를 확보하고, $10^3~{}\text{TeV}$ 스케일의 뉴 피ysics를 탐지하는 것.
• 기존의 실험들보다 높은 민감도로 힉스 섹터에서의 CP 위반 물리 현상을 테스트하여 전자 EDM 실험과 상보적인 고유한 탐지 수단을 제공하는 것.
• QCD 진공 각 $\theta_{\text{QCD}}$에 대한 민감도를 세 개의 지수 단위 향상시켜 악시온 및 악시온 어두운 물질 모델에 대한 제약 조건을 강화하는 것.
• 동적 악시온 필드에 의해 유도되는 진동하는 EDM을 측정함으로써 악시온 유사 입자(PLPs)의 부가적 탐지 가능성을 열어, 이전에 탐색되지 않은 파라미터 영역에 접근하는 것.

제안 방법

• 주로 EDM 측정에서 발생하는 체계적 오차를 상쇄하기 위해 하이브리드 대칭 레이슬레이스를 활용하여 대칭성을 이용해 가짜 신호를 억제한다.
• 양성자 빔의 스핀 극화를 수직으로 회전시켜 비제로 EDM을 탐지하며, 이 경우 프리세션 속도는 EDM과 수직 전기장에 비례한다.
• 운동하는 양성자의 관성 참조 프레임에서 유효 전기장 $E^* = E - vB$를 적용하여 상대론적 운동론을 통해 EDM에 대한 민감도를 향상시킨다.
• 고정밀 빔 및 스핀 역학 시뮬레이션을 기반으로 스핀 공명 시간을 추정하며, 초도 결과에 따르면 스트로스틱 냉각 없이도 $>2\times10^3~{}\text{s}$ 이상의 수명을 기대할 수 있다.
• 내부 빔 산산산란(IBS) 및 빔-가스 상호작용으로 인한 빔 손실을 완화하기 위해 스트로스틱 냉각을 도입하여 사용 가능한 저장 시간을 연장한다.
• 동적 악시온 필드에 의해 유도되는 진동하는 EDM을 측정함으로써 악시온 유사 어두운 물질을 위한 부가적 탐지 방법을 적용하며, 공진 증폭 기법을 활용한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 현재 기술과 최적화된 레이슬레이스 설계를 사용하여 저장 고리 실험으로 $10^{-29}~{}e\cdot\text{cm}$ 수준의 양성자 EDM 민감도를 달성할 수 있는가?
• RQ2 기존의 저장 고리 구성과 비교할 때 하이브리드 대칭 레이슬레이스는 양성자 EDM 측정에서 체계적 오차를 어떻게 억제하는가?
• RQ3 이 실험의 힉스 섹터에서의 CP 위반 탐지 민감도는 얼마이며, 기존 또는 제안된 탐지 방법들과 비교해 볼 때 어떤가?
• RQ4 동일한 시설을 사용하여 유도된 진동하는 EDM을 통해 악시온 유사 입자를 탐지할 수 있으며, 어떤 파라미터 영역을 탐색할 수 있는가?
• RQ5 악시온-EDM 결합 $g_d$와 악시온-핵자 결합 $g_{aNN}$에 대한 예상 민감도는 얼마이며, 기존 실험들과 비교해 볼 때 어떤가?

주요 결과

• 현존하는 기술과 하이브리드 대칭 레이슬레이스를 활용한 저장 고리 양성자 EDM 실험은 $10^{-29}~{}e\cdot\text{cm}$ 수준의 민감도를 확보할 수 있다.
• 이 방법은 QCD 진공 각 $\theta_{\text{QCD}}$에 대한 민감도를 세 개의 지수 단위 향상시켜 현재의 중성자 EDM 한계를 뛰어넘는다.
• 이 실험은 힉스 섹터에서의 CP 위반에 대한 가장 직접적인 탐지 수단을 제공하며, 약 $10^3~{}\text{TeV}$ 수준의 뉴 피ysics 영역에 도달한다.
• 이 시설은 악시온 유사 어두운 물질의 부가적 탐지 기능도 가능하며, QCD 악시온에 대해 $10^{-34}~{}e\cdot\text{cm}$ 수준의 ALP-EDM 결합 민감도를 예상할 수 있다.
• 상대론적 입자 운동에 의해 유도되는 악시온 필드 기울기로 인한 스핀 프리세션을 통해 악시온-핵자 결합 $g_{aNN}$도 탐지 가능하며, 이는 상대론적 운동에 의해 민감도가 향상된다.
• 스핀 공명 시간이 $10^4~{}\text{s}$이고 각 주파수에서 1년 간의 데이터 수집이 가능할 경우, 기존의 중성자 EDM 및 초신성 냉각 제약 조건을 뛰어넘어 이전에 탐색되지 않은 ALP 파라미터 영역에 접근할 수 있다.