[논문 리뷰] Theoretical Prediction and Impact of Fundamental Electric Dipole Moments

Sebastian A. R. Ellis, Gordon Kane|arXiv (Cornell University)|2014. 05. 29.

Particle physics theoretical and experimental studies참고 문헌 11인용 수 5

한 줄 요약

이 논문은 압축된 M-이론 내에서 전자 및 중성자의 전기 dipole moment(EDM)의 상한을 예측하며, EDM이 표준모형의 요카다 위상가 전기약력 스케일으로의 러닝에 기인함을 보여준다. 새로운 물리학이 존재하더라도 EDM은 전자에 대해 $5 \times 10^{-30}~e\text{cm}$ 이하, 중성자에 대해 $5 \times 10^{-29}~e\text{cm}$ 이하로 제약을 받으며, 임의의 CP 위상 없이 M-이론에 기반한 모델에 대한 중요한 시험을 제공한다.

ABSTRACT

The predicted Standard Model (SM) electric dipole moments (EDMs) of electrons and quarks are tiny, providing an important window to observe new physics. Theories beyond the SM typically allow relatively large EDMs. The EDMs depend on the relative phases of terms in the effective Lagrangian of the extended theory, which are generally unknown. Underlying theories, such as string/M-theories compactified to four dimensions, could predict the phases and thus EDMs in the resulting supersymmetric (SUSY) theory. Earlier one of us, with collaborators, made such a prediction and found, unexpectedly, that the phases were predicted to be zero at tree level in the theory at the unification or string scale $\sim\mathcal{O}(10^{16}$ GeV). Electroweak (EW) scale EDMs still arise via running from the high scale, and depend only on the SM Yukawa couplings that also give the CKM phase. Here we extend the earlier work by studying the dependence of the low scale EDMs on the constrained but not fully known fundamental Yukawa couplings. The dominant contribution is from two loop diagrams and is not sensitive to the choice of Yukawa texture. The electron EDM should not be found to be larger than about $ 5 imes 10^{-30} e$ cm, and the neutron EDM should not be larger than about $5 imes 10^{-29}e$ cm. These values are quite a bit smaller than the reported predictions from Split SUSY and typical effective theories, but much larger than the Standard Model prediction. Also, since models with random phases typically give much larger EDMs, it is a significant testable prediction of compactified M-theory that the EDMs should not be above these upper limits. The actual EDMs can be below the limits, so once they are measured they could provide new insight into the fundamental Yukawa couplings of leptons and quarks. We comment also on the role of strong CP violation. EDMs probe fundamental physics near the Planck scale.

연구 동기 및 목표

• 압축된 M-이론에 기반한 물리학의 기본 이론 내에서 전자 및 중성자의 전기 dipole moment(EDM)를 제약하는 것.
• 표준모형의 초대칭 위상에서 기인한 초대칭 위상의 CP 위반 위상이 양자 보정을 통해 저에너지 EDM을 어떻게 생성하는지 규명하는 것.
• 일반적인 효과 이론이나 Split SUSY보다 훨씬 작은 EDM 예측을 제공하여 기본 요카다 텍스처를 탐색하는 것.
• 강한 CP 위반과 약력 스케일의 CP 위반을 구분하여 EDM 관측치에서의 역할을 평가하는 것.

제안 방법

• 이중 루프 Barr-Zee 및 일중 루프 SUSY 도형을 사용하여 EDM을 계산하며, 주로 루프 내 제3세대 스퀴어크ォ크(스탑 및 스바텀)에서 기인한 기여가 지배적임.
• 통합 스케일(~10¹⁶ GeV)에서 전기약력 스케일까지의 양자역학적 군 수축을 적용하여 고에너지 요카다 상수에서의 위상 진화를 추적함.
• EDM의 표현식을 삼중 상호작용 상수와 소프트 파괴 질량의 허수부로 표현하며, 위상 의존성은 초대칭 위상의 슈퍼퍼텐셜 요카다 상수와 연결됨.
• 다양한 요카다 텍스처 시나리오를 고려하고, 주요 이중 루프 기여가 텍스처 선택에 민감하지 않음을 보임.
• 이중 루프 함수 $ F(r) $ 및 그 도함수 $ F'(r) $ 를 사용하여 Barr-Zee 기여의 진폭을 계산하며, 질량 척도 $ M_A $, $ m_{\tilde{q}} $, 및 $ m_f $ 를 포함함.
• 기여가 매우 작아 무시되므로, 주로 이중 루프 및 보조적인 일중 루프 도형에 집중함.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 압축된 M-이론에서 임의의 CP 위상 없이 전자 및 중성자의 EDM에 대한 상한은 무엇인가?
• RQ2 초대칭 위상에서 기인한 요카다 상호작용의 CP 위반 위상이 양자 보정을 통해 저에너지 EDM을 어떻게 생성하는가?
• RQ3 왜 이론적 예측된 EDM 값이 일반적인 효과 이론이나 Split SUSY 모델보다 훨씬 작은가?
• RQ4 다양한 요카다 텍스처 선택에 대해 이 EDM 예측은 얼마나 견고한가? 주요 기여가 텍스처 세부 사항에 민감한가?
• RQ5 미래의 EDM 측정은 쿼크 및 렙톤의 기본 요카다 상호작용을 제약할 수 있는가?

주요 결과

• 전자 EDM은 $ 5 \times 10^{-30}~e\text{cm} $ 이하로 예측되며, 일반적인 Split SUSY나 효과 이론 예측보다 훨씬 작다.
• 중성자 EDM은 $ 5 \times 10^{-29}~e\text{cm} $ 이하로 예측되며, M-이론 압축화 모델에 대한 엄격한 시험을 제공한다.
• 주요 EDM 기여는 제3세대 스퀴어크ォ크를 포함한 이중 루프 도형에서 기인하며, 요카다 텍스처의 구체적 형태에 민감하지 않다.
• 일중 루프 기여는 보조적이며 총 상한에 영향을 주지 않는다.
• 결과는 고에너지 스케일의 초대칭 위상에서의 CP 위반 위상이 정렬되어 있으며, 임의적이지 않기 때문에 EDM이 억제된다는 사실에서 기인한다.
• 예측은 시험 가능하다: 만약 향후 EDM 실험에서 이 상한을 초과하는 값이 발견된다면, 본 연구에서 다룬 특정 M-이론 압축화 프레임워크는 배제된다.