[论文解读] Nucleon tensor charge and electric dipole moment

H. Gao, Tianbo Liu+1 more|arXiv (Cornell University)|Apr 1, 2017

Particle physics theoretical and experimental studies被引用 1

一句话总结

本文利用核子电偶极矩（EDM）测量结果与张量荷提取，研究了夸克电偶极矩（EDM），在4 GeV²能量尺度下确立了当前实验限制：上夸克为1.27×10⁻²⁴ e·cm，下夸克为1.17×10⁻²⁴ e·cm。此外，本文进一步预测，未来实验有望将这些约束提升三个数量级，显著增强对电弱尺度之外新物理的探测灵敏度。

ABSTRACT

The electric dipole moments (EDMs) of nucleons are sensitive probes of additional $\cal CP$ violation sources beyond the standard model to account for the baryon number asymmetry of the universe. As a fundamental quantity of the nucleon structure, tensor charge is also a bridge that relates nucleon EDMs to quark EDMs. With a combination of nucleon EDM measurements and tensor charge extractions, we investigate the experimental constraint on quark EDMs, and its sensitivity to $\cal CP$ violation sources from new physics beyond the electroweak scale. We obtain the current limits on quark EDMs as $1.27 imes10^{-24}\,e\cdot{ m cm}$ for the up quark and $1.17 imes10^{-24}\,e\cdot{ m cm}$ for the down quark at the scale of $4\, m GeV^2$. We also study the impact of future nucleon EDM and tensor charge measurements, and show that upcoming new experiments will improve the constraint on quark EDMs by about three orders of magnitude leading to a much more sensitive probe of new physics models.

研究动机与目标

• 利用核子EDM测量结果与张量荷数据，约束夸克电偶极矩（EDM）。
• 评估当前与未来实验对电弱尺度之外CP破坏源的探测灵敏度。
• 通过张量荷作为关键结构纽带，建立核子EDM与夸克EDM之间的联系。
• 评估未来实验在显著提升夸克EDM约束方面所具备的潜力。

提出的方法

• 结合核子EDM的实验数据与来自格点QCD或有效场论的张量荷数值。
• 利用张量荷作为理论桥梁，将核子尺度EDM与夸克尺度EDM关联起来。
• 应用跑动方程（重整化群演化）将夸克EDM限制从电弱尺度下运行至4 GeV²尺度。
• 对核子EDM与张量荷数据进行全局拟合，以提取夸克EDM的约束。
• 采用有效场论技术，对标准模型之外的CP破坏相互作用进行建模。
• 通过模拟核子EDM与张量荷测量精度的提升，预测未来探测灵敏度。

实验结果

研究问题

• RQ1 基于核子EDM与张量荷测量，当前实验对夸克EDM的限制是什么？
• RQ2 核子EDM对电弱尺度之外的新物理CP破坏源有多敏感？
• RQ3 未来对核子EDM与张量荷的测量能在多大程度上改善对夸克EDM的约束？
• RQ4 张量荷如何介导核子EDM与夸克EDM之间的关系？
• RQ5 未来实验对夸克EDM约束的探测灵敏度预计提升多少？

主要发现

• 当前实验对上夸克EDM的限制为1.27×10⁻²⁴ e·cm（4 GeV²尺度）。
• 当前实验对下夸克EDM的限制为1.17×10⁻²⁴ e·cm（4 GeV²尺度）。
• 未来核子EDM与张量荷测量预计可将夸克EDM约束提升约三个数量级。
• 张量荷是连接核子尺度EDM与夸克尺度EDM的关键理论纽带。
• 对核子EDM与张量荷测量精度的提升，将显著增强对涉及CP破坏的新物理模型的探测灵敏度。
• 结果表明，夸克EDM仍是探测电弱尺度之外新物理的强有力工具。