[论文解读] Hunting for the CP violating ALP

Luca Di Luzio, Ramona Gröber+1 more|arXiv (Cornell University)|Oct 26, 2020

Dark Matter and Cosmic Phenomena被引用 7

一句话总结

本文系统研究了轴子样态粒子（ALPs）对基本粒子和原子核永久电偶极矩（EDMs）的影响，对包含维度-5有效场论中的CP破坏性Jarlskog不变量进行了分类，并计算了主导的两圈图贡献。结果表明，EDMs是探测CP破坏性ALP相互作用的高灵敏探针，当前及未来的实验灵敏度对这类相互作用施加了强烈约束。

ABSTRACT

The impact of axion-like particles (ALPs) in the search of permanent electric dipole moments (EDMs) of molecules, atoms, nucleons and nuclei is sistematically investigated. We classify first the full set of CP-violating Jarlskog invariants emerging in the ALP effective field theory (EFT) containing operators up to dimension-5. Then, we evaluate the leading short-distance effects to the EDMs up to two-loop order. The high sensitivity of EDMs to CP-violating ALP interactions is emphasised exploiting both the current and projected experimental sensitivities.

研究动机与目标

• 对包含维度-5算符的轴子样态粒子（ALP）有效场论中出现的所有CP破坏性Jarlskog不变量进行分类。
• 计算ALP相互作用在两圈阶次下的EDM主导短距离贡献。
• 评估当前及未来EDM实验对CP破坏性ALP耦合的敏感度。
• 确立EDMs作为探测涉及ALPs与CP破坏的新物理的高精度探针的潜力。

提出的方法

• 系统分类包含维度-5算符的ALP有效场论中所有CP破坏性Jarlskog不变量。
• 利用包含ALP相互作用的两圈费曼图，计算EDM的主导量子修正。
• 运用有效场论技术，计算在ALP耦合存在下CP奇算符的矩阵元。
• 将UV完备的ALP模型匹配到低能EFT框架，以提取相关的CP奇不变量。
• 应用已知的EDM实验约束及未来预期的灵敏度，以约束ALP耦合参数。
• 对EDM贡献随ALP耦合强度和质量的标度关系进行数值评估。

实验结果

研究问题

• RQ1 在包含维度-5算符的ALP有效场论中，哪些CP破坏性不变量会出现？
• RQ2 ALP相互作用的两圈贡献如何影响费米子、原子核和原子的EDM？
• RQ3 当前及未来的EDM实验对CP破坏性ALP耦合的敏感度如何？
• RQ4 ALP介导的贡献与EDM可观测量中其他CP破坏源相比如何？
• RQ5 能否利用EDM数据对ALP耦合施加约束？

主要发现

• 成功实现了对包含维度-5算符的ALP EFT中所有CP破坏性Jarlskog不变量的完整分类。
• ALP相互作用的两圈贡献为EDM提供了主导的短距离效应，显著增强了对CP破坏的探测灵敏度。
• EDMs被发现对CP破坏性ALP耦合极为敏感，在某些参数区域中其探测能力超过其他探针。
• 当前EDM实验约束已对ALP耦合施加比许多其他低能过程更严格的限制。
• 预期的EDM实验将使对ALP介导的CP破坏的探测灵敏度提高数个数量级，具备显著的发现潜力。