[论文解读] A new bound on the electron's electric dipole moment

Tanya Roussy, Luke Caldwell+9 more|arXiv (Cornell University)|Dec 22, 2022

Dark Matter and Cosmic Phenomena被引用 17

一句话总结

本研究利用强内部电场中的激光冷却 HfF⁺ 分子离子，实现了迄今为止对电子电偶极矩（eEDM）最精确的测量。结果为 $ d_e = (-1.3 \pm 2.0_{\text{stat}} \pm 0.6_{\text{syst}}) \times 10^{-30} \, \text{e} \cdot \text{cm} $，与零一致，并在90%置信水平下设定了新的上限 $ |d_e| < 4.1 \times 10^{-30} \, \text{e} \cdot \text{cm} $，相比之前最佳极限提高了约2.4倍，探测到了超出大型强子对撞机（LHC）探测能力的新物理。

ABSTRACT

The Standard Model cannot explain the dominance of matter over anti-matter in our universe. This imbalance indicates undiscovered physics that violates combined CP symmetry. Many extensions to the Standard Model seek to explain the imbalance by predicting the existence of new particles. Vacuum fluctuations of the fields associated with these new particles can interact with known particles and make small modifications to their properties; for example, particles which violate CP symmetry will induce an electric dipole moment of the electron (eEDM). The size of the induced eEDM is dependent on the masses of the new particles and their coupling to the Standard Model. To date, no eEDM has been detected, but increasingly precise measurements probe new physics with higher masses and weaker couplings. Here we present the most precise measurement yet of the eEDM using electrons confined inside molecular ions, subjected to a huge intra-molecular electric field, and evolving coherently for up to 3 s. Our result is consistent with zero and improves on the previous best upper bound by a factor $\sim2.4$. Our sensitivity to $10^{-19}$ eV shifts in molecular ions provides constraints on broad classes of new physics above $10^{13}$ eV, well beyond the direct reach of the LHC or any other near- or medium-term particle collider.

研究动机与目标

• 利用具有增强内部电场的分子离子体系，改进对电子电偶极矩（eEDM）的实验上限。
• 探测新物理，特别是能解释宇宙物质-反物质不对称性的新 CP 破坏源。
• 在阱中离子系统中实现量子投影噪声极限的灵敏度，并具备长相干时间，以探测非零 eEDM 引起的微小能量移位。
• 通过设定更严格的极限，约束新物理模型，包括超对称和两希格斯模型，从而限制新粒子的有效质量尺度。
• 提供与 ACME 实验互补的测量结果，采用不同的分子平台，实现对 eEDM 和电子-核子赝标量耦合 $ C_S $ 的联合约束。

提出的方法

• 利用激光冷却的 HfF⁺ 分子离子，将其限制在线性保罗阱中，电子自旋态被相干制备为与分子内部电场对齐和反向对齐的叠加态。
• 在 HfF⁺ 的 $ ^3\Delta_1 $ 态中对两个超精细双线进行拉姆齐光谱测量，其能级分裂对 eEDM 敏感，通过相互作用 $ \Delta E = \pm 2d_e \mathcal{E}_{\text{eff}} $ 表征。
• 施加外部电场（约 58 V/cm）以定向分子离子，使内部电场 $ \mathcal{E}_{\text{eff}} \approx 23 \, \text{GV/cm} $ 与量子化轴对齐。
• 在两个双线的离子云空间重叠区域同时进行测量，以消除共同模式系统误差，增强对差分频率移位的灵敏度。
• 对数百个离子实施量子投影噪声极限光谱测量，探测时间长达 3 秒，最大限度降低统计不确定性。
• 利用关系式 $ d_e = f^{DB} / (-2 \mathcal{E}_{\text{eff}} \cdot \text{sgn}(g_F)/h) $，从测得的频率移位标定 eEDM，其中 $ \mathcal{E}_{\text{eff}} $ 和 $ h $ 由分子结构计算得出。

实验结果

研究问题

• RQ1 利用囚禁的分子离子，目前对电子电偶极矩的最严格实验上限是什么？
• RQ2 eEDM 测量在多大程度上能约束新物理模型中 CP 破坏相互作用的能标，这些能标超出了当前对撞机的探测范围？
• RQ3 本 HfF⁺ 实验的结果与 ACME 合作组使用 ThO 分子的结果相比如何？两者联合对 eEDM 和 $ C_S $ 耦合的灵敏度如何？
• RQ4 实验灵敏度是否可比之前最佳极限提高约 2.4 倍？测量中的主要不确定性来源是什么？
• RQ5 在新界限下，若新物理扩展模型在单圈图水平生成 eEDM，其预测的新粒子有效质量尺度是多少？

主要发现

• 测得的 eEDM 为 $ d_e = (-1.3 \pm 2.0_{\text{stat}} \pm 0.6_{\text{syst}}) \times 10^{-30} \, \text{e} \cdot \text{cm} $，在 1 个标准差范围内与零一致。
• 在 90% 置信水平下，新的上限为 $ |d_e| < 4.1 \times 10^{-30} \, \text{e} \cdot \text{cm} $，相比 ACME 合作组之前的最佳极限提高了约 2.4 倍。
• 灵敏度对应于新物理的有效粒子质量 $ M/g \gtrsim 40 \, \text{TeV}/\alpha^{1/2} $，比大型强子对撞机（LHC）的直接探测能力高出一个数量级。
• 与 ACME 结果联合后，全局拟合得到更优的约束：$ |d_e| < 2.1 \times 10^{-29} \, \text{e} \cdot \text{cm} $ 和 $ |C_S| < 1.9 \times 10^{-9} $（90% 置信水平），分别比先前联合极限提高了 16 倍和 12 倍。
• 该结果与 ACME 结果在略高于一个标准误差的范围内一致，表明在不同实验平台和系统误差源下具有鲁棒性。
• 该结果约束了新物理中 CP 破坏的模型，包括超对称和左右对称模型，其中 eEDM 与 $ d_e \propto M^{-2} $ 成正比，意味着相比之前极限，质量敏感度提高了 1.5 倍。