[论文解读] 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 6

一句话总结

该论文提出了一项储存环实验，旨在通过混合对称环结构中的垂直极化旋转，将质子电偶极矩（EDM）的测量灵敏度提升至 $10^{-29}~{}e\cdot\text{cm}$，从而抑制系统误差。该方法可实现对希格斯 sector 中 CP 破坏的最灵敏探测，并将对 $\theta_{\text{QCD}}$ 的灵敏度提高三个数量级，达到新物理尺度 $10^3~{}\text{TeV}$。

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.

研究动机与目标

• 实现质子 EDM 敏感度为 $10^{-29}~{}e\cdot\text{cm}$，超越现有极限，并探测 $10^3~{}\text{TeV}$ 尺度的新物理。
• 以迄今最高的灵敏度测试希格斯 sector 中的 CP 破坏物理，提供与电子 EDM 实验互补的独特探测手段。
• 将对 QCD 真空角 $\theta_{\text{QCD}}$ 的灵敏度提高三个数量级，从而加强对轴子及轴子类暗物质模型的约束。
• 通过感应振荡 EDM 实现对类轴子粒子（ALPs）的寄生探测，进入此前未探索的 ALP-EDM 耦合参数空间。

提出的方法

• 利用混合对称环结构以抵消 EDM 测量中主导的系统误差，借助对称性抑制虚假信号。
• 通过质子束流自旋极化的垂直旋转来探测非零 EDM，其中进动速率与 EDM 及垂直电场成正比。
• 在运动质子的静止参考系中应用等效电场 $E^* = E - vB$，通过相对论运动学增强对 EDM 的探测灵敏度。
• 依赖高精度的束流与自旋动力学模拟估算自旋相干时间，初步结果表明在无随机冷却的情况下可实现 $>2\times10^3~{}\text{s}$。
• 引入随机冷却技术，以减轻束流内散射（IBS）和束流-气体相互作用引起的束流损失，延长可用储存时间。
• 将该方法拓展用于寄生探测类轴子暗物质，通过测量动态轴子场感应的振荡 EDM，并采用共振增强技术。

实验结果

研究问题

• RQ1 利用现有技术和优化的晶格设计，储存环实验能否实现 $10^{-29}~{}e\cdot\text{cm}$ 的质子 EDM 敏感度？
• RQ2 与传统储存环构型相比，混合对称环结构在质子 EDM 测量中如何抑制系统误差？
• RQ3 该实验对希格斯 sector 中 CP 破坏的敏感度如何？与现有或拟议的其他探测手段相比有何优势？
• RQ4 同一设施是否可用于通过感应振荡 EDM 探测类轴子粒子？可探测的参数空间范围如何？
• RQ5 对轴子-EDM 耦合 $g_d$ 和轴子-核子耦合 $g_{aNN}$ 的预期灵敏度是多少？与现有实验相比有何差异？

主要发现

• 利用现有技术与混合对称环结构，该储存环质子 EDM 实验可实现 $10^{-29}~{}e\cdot\text{cm}$ 的灵敏度。
• 该方法将对 QCD 真空角 $\theta_{\text{QCD}}$ 的灵敏度提高三个数量级，超越当前中子 EDM 的限制。
• 该实验提供了对希格斯 sector 中 CP 破坏的最直接探测，新物理探测范围约为 $10^3~{}\text{TeV}$。
• 该设施可实现对类轴子暗物质的寄生探测，对 ALP-EDM 耦合 $g_d$ 的预期灵敏度可达 $10^{-34}~{}e\cdot\text{cm}$（针对 QCD 轴子）。
• 通过轴子场梯度诱导的自旋进动，该方法还可探测轴子-核子耦合 $g_{aNN}$，且由于相对论粒子运动，灵敏度得以增强。
• 在自旋相干时间达 $10^4~{}\text{s}$ 且每个频率积累一年数据的条件下，该实验可进入此前未探索的 ALP 参数空间区域，超越来自中子 EDM 和超新星冷却的现有约束。