[論文レビュー] The storage ring proton EDM experiment

Alexander, Jim, V. Anastassopoulos+75 more|arXiv (Cornell University)|Apr 25, 2022

Dark Matter and Cosmic Phenomena被引用数 6

ひとこと要約

本論文は、ハイブリッド対称性リング格子を用いて系の系統的誤差を抑制する垂直偏光回転法を採用し、$10^{-29}~{}e\cdot\text{cm}$の感度で陽子電気双極子モーメント（EDM）を測定するストレージリング実験を提案する。この手法により、ヒッグス系におけるCP対称性の破れを最も感受性の高い方法で探査でき、$\theta_{\text{QCD}}$に対する感度が3桁向上し、ニュートリノ物理学の新物理スケール$10^3~{}\text{TeV}$に到達する。

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.

研究の動機と目的

• 現在の限界を上回り、$10^3~{}\text{TeV}$スケールの新物理を探査できる、$10^{-29}~{}e\cdot\text{cm}$の陽子EDM感度を達成すること。
• これまでで最高の感度でヒッグス系におけるCP対称性の破れを検証し、電子EDM実験とは相補的な独自の探査を可能にすること。
• QCDの真空角度$\theta_{\text{QCD}}$に対する感度を3桁向上させ、アキソンおよびアキソン様ダークマター模型に対する制約を強化すること。
• 動的なアキソン場によって誘導される振動するEDMを測定することで、従来未到達のパラメータ領域をカバーする、アキソン様粒子（ALPs）の付随的探索を可能にすること。

提案手法

• 主な系統的誤差をキャンセルするため、ハイブリッド対称性リング格子を用い、対称性を活用して誤った信号を抑制する。
• 陽子ビームのスピン偏光の垂直回転を用いてEDMを検出する。ここで、進動速度はEDMと垂直電界に比例する。
• 運動する陽子の静止系における有効電界$E^* = E - vB$を適用し、相対論的運動論的効果によってEDMに対する感度を向上させる。
• 高精度なビームおよびスピンダイナミクスシミュレーションを用いてスピンコherency時間の推定を行う。予備的な結果では、ストキャスティック冷却を用いない場合でも$>2\times10^3~{}\text{s}$の長さが得られている。
• ビーム内散乱（IBS）およびビームガス相互作用によるビーム損失を緩和するため、ストキャスティック冷却を導入し、使用可能なストレージ時間を延長する。
• 動的なアキソン場によって誘導される振動EDMを測定するための方法を適応し、共鳴増幅技術を用いて、従来未到達のパラメータ領域をカバーする。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 現在の技術と最適化された格子設計を用いて、ストレージリング実験が$10^{-29}~{}e\cdot\text{cm}$の陽子EDM感度に到達できるか。
• RQ2 ハイブリッド対称性リング格子は、従来のストレージリング構成と比較して、陽子EDM測定における系統的誤差をどのように抑制するか。
• RQ3 提案された実験がヒッグス系におけるCP対称性の破れに対してどの程度の感度を有するか。他の既存または提案中の探査手法と比較するとどうか。
• RQ4 同じ施設を用いて、誘導される振動EDMを測定することでアキソン様粒子を検出可能か。また、どのパラメータ領域をカバーできるか。
• RQ5 アキソン-EDMカップリング$g_d$およびアキソン-核子カップリング$g_{aNN}$に対する予想される感度は何か。既存の実験と比較するとどうか。

主な発見

• 現在の技術とハイブリッド対称性リング格子を用いることで、ストレージリング陽子EDM実験は$10^{-29}~{}e\cdot\text{cm}$の感度に到達可能である。
• この手法により、QCDの真空角度$\theta_{\text{QCD}}$に対する感度が3桁向上し、現在の中性子EDMの限界を上回る。
• この実験は、ヒッグス系におけるCP対称性の破れを直接探査する最高の手法を提供し、新物理のスケールは約$10^3~{}\text{TeV}$に達する。
• 施設は、QCDアキソンに対して$10^{-34}~{}e\cdot\text{cm}$のALP-EDMカップリング感度を有する、付随的検出によるアキソン様ダークマターの探索を可能にする。
• 相対論的粒子運動に起因するスピン進動により、アキソン場勾配によって誘導されるスピン進動を介して、アキソン-核子カップリング$g_{aNN}$をも探査可能であり、相対論的運動により感度が向上する。
• スピンコherency時間が$10^4~{}\text{s}$で、各周波数で1年分のデータを取得した場合、中性子EDMや超新星冷却からの制約を上回る、これまで未到達のALPパラメータ領域に到達可能である。