[论文解读] Fundamental Symmetry Tests with Nucleons, Nuclei, and Atoms: A Snowmass Report

Krishna Kumar, Zheng‐Tian Lu+1 more|arXiv (Cornell University)|Dec 19, 2013

Atomic and Molecular Physics参考文献 2被引用 7

一句话总结

本Snowmass报告综合了利用核子、原子核和原子进行基础对称性测试的前沿提案，旨在通过TeV尺度的新物理探测，实现对标准模型之外新物理的探索。通过精确测量电偶极矩、弱衰变、宇称不守恒以及反氢原子光谱，本文阐明了桌面实验与加速器实验如何作为关键的强度前沿策略，用于探测CP破坏、强相互作用与电弱相互作用中的新物理，以及CPT对称性。

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.

研究动机与目标

• 识别并优先考虑利用核子、原子核和原子进行基础对称性测试，以探测标准模型之外新物理的最具吸引力的机会。
• 评估精密实验在探测TeV尺度及更深层次物理中的作用，特别是通过强度前沿方法。
• 评估原子物理、核物理和粒子物理实验在检验CPT对称性、CP破坏以及新型味量子数与重子数破坏来源方面的潜力。
• 总结核物理与原子物理社区的输入，包括来自两次强度前沿工作坊的贡献，以指导未来的实验与理论研究。
• 突出对称性测试与长程强相互作用之间的相互作用，为核子与原子核结构提供新见解。

提出的方法

• 利用超精密桌面实验测量中子、199Hg、镭及其他原子的电偶极矩（EDM），以检验强相互作用与电弱相互作用中的CP破坏。
• 采用储存环与阱技术测量中子与质子的EDM，包括极化束与离子阱中的测量，以探测TeV尺度的新物理。
• 应用激光与微波光谱技术研究如反质子氦与反氢等奇异原子，以检验CPT不变性，并确定质子与反质子质量与电荷的相等性。
• 开展弱衰变的精密测量，包括中子β衰变、π介子轻子衰变以及核衰变相关性，以检验CKM幺正性与非标准相互作用。
• 利用宇称破坏的深度非弹性散射、Møller散射与原子宇称破坏，探测中性弱流结构与电弱耦合。
• 利用未来设施如CERN的ELENA与FAIR的FLAIR，提升反质子的产生与捕获能力，从而实现反氢原子更高精度的光谱测量。

实验结果

研究问题

• RQ1 通过基础对称性测试探测标准模型之外新物理的最敏感且最有前景的实验方法是什么？
• RQ2 中子与原子EDM的精密测量在多大程度上可约束强相互作用与电弱相互作用中的CP破坏？
• RQ3 弱衰变相关性与β衰变不对称性在多大程度上可揭示电弱相互作用中的非标准相互作用或新物理？
• RQ4 反氢原子光谱与反质子原子如何实现亚ppm精度的CPT不变性检验？
• RQ5 未来设施如ELENA与FLAIR在推进反物质实验精度与反物质重力测量方面的潜力如何？

主要发现

• 中子EDM未被观测到，对强相互作用中的CP破坏施加了严格限制，从而支持轴子作为暗物质候选者的理论动机。
• TRAP合作组实现了CPT检验，质子与反质子荷质比的相对偏差为$1.6(9)\times10^{-10}$，以高精度证实了CPT不变性。
• ASACUSA测量得到反质子与质子质量与电荷相等性精度为$<7\times10^{-10}$，反质子磁矩偏差为$<2.9\times10^{-3}$。
• ALPHA合作组成功将中性反氢原子囚禁长达1000秒，为未来高精度测量1S–2S跃迁光谱奠定了基础。
• ASACUSA合作组展示了在磁镜阱中形成反氢原子，预计可产生极化束，用于基态超精细结构的测量。
• CERN-AD的AEgIS实验正在准备测量反氢原子的重力加速度，目标精度为百分之一水平，标志着首次对引力与反物质相互作用的直接检验。