[论文解读] Electric dipole moments and the search for new physics

Ricardo Alarcón, Alexander, Jim+141 more|arXiv (Cornell University)|Mar 15, 2022

Atomic and Subatomic Physics Research被引用 28

一句话总结

本白皮书回顾静态电偶极矩（EDMs）在粒子、原子、分子以及存储环中如何探测超标准模型的 CP 违反，概述理论、当前界限及未来实验路径。

ABSTRACT

Static electric dipole moments of nondegenerate systems probe mass scales for physics beyond the Standard Model well beyond those reached directly at high energy colliders. Discrimination between different physics models, however, requires complementary searches in atomic-molecular-and-optical, nuclear and particle physics. In this report, we discuss the current status and prospects in the near future for a compelling suite of such experiments, along with developments needed in the encompassing theoretical framework.

研究动机与目标

• 动机：将 EDM 的搜索作为探索超越标准模型的新 CP 违反物理的手段。
• 给出将高能 CP 违反与低能 EDM 可观测量相联系的理论框架，借助有效场理论（effective field theory）和晶格量子色动力学（lattice QCD）.
• 总结当前实验现状（中子、原子、分子 EDM）并概述近期灵敏度目标。
• 描述存储环 EDM 的概念及其在质子、氘核和 μ 粒子 EDM 上的潜在探测范围。
• 倡导一个协同的多系统 EDM 计划，以诊断 CP 违反的起源及其宇宙学意义。

提出的方法

• 利用标准模型和超标准模型的 CP 违反框架，通过标准模型有效场理论将高尺度算子与低能 EDM 相联系。
• 采用手性有效场理论（chiral EFT）和晶格 QCD 的输入，将夸克/胶子级别的 CPV 算子与强子、核、原子 EDM 联系起来。
• 评估中子、原子、分子和存储环 EDM 实验的实验能力与系统误差。
• 基于 EDM 界限，利用数量级的标度关系和环数估算新物理的质量尺度。
• 提出多方面的实验策略，以区分 θ̄、夸克/胶子 EDM 与四费米算子的贡献。

实验结果

研究问题

• RQ1 哪些高尺度的 CP 违反源能够在当前或近未来的实验中产生可观测的 EDM？
• RQ2 如何利用多系统的 EDM 测量来区分 θ̄ 与超出标准模型算子（如四-费米算子等）的贡献？
• RQ3 在当前及预测的 EDM 灵敏度下，单一系统与多系统相比，新型 CP 违反物理的估计质量尺度 reach 有多大？
• RQ4 如何通过晶格 QCD 和手性 EFT 减少对强子不确定性，以提高 EDM 测量约束的锋利度？
• RQ5 哪些实验途径（中子、原子/分子、存储环）提供最具互补性和最可靠的 CP 违反发现潜力？

主要发现

• 在最大 CP 违反下，静态 EDM 能探测到远超直接对撞机可及的 BSM 质量尺度。
• 截至 2020 年，当前中子 EDM 极限为 dn < 1.8×10^-26 e·cm (90% C.L.)，未来 10–15 年目标为 10^-27 至 10^-28 e·cm。
• 原子和分子 EDM 为电子 EDM 与夸克色EDMs 提供强约束，并为 CP 违反的强子相互作用提供互补途径。
• 存储环 EDM 实验（质子、氘核、μ 子）承诺达到卓越灵敏度（例如，约 10^-29 e·cm 的质子在约 10 年），并有望覆盖暗物质领域或与 axion 相关的 CP 违反。
• 单一 EDM 测量不能唯一诊断潜在的 CP 违反源；跨系统的协同测量对于识别负责的算子至关重要。
• 通过晶格 QCD 和手性 EFT 降低对强子矩阵元的理论不确定性，对于最大化 EDM 实验的物理覆盖范围至关重要。