Lorentz and CPT Tests in Neutron and Storage-Ring EDM Experiments

Résumé technique : Tests de Lorentz et de CPT dans les expériences de EDM de neutrons et d'anneaux de stockage

Énoncé du problème
Les expériences de moment dipolaire électrique (EDM) constituent des sondes hautement sensibles pour détecter de nouvelles sources de violation de la parité (P) et de la charge-parité (CP). Au-delà de ces tests de symétrie standard, la précision extrême des mesures d'EDM actuelles (par exemple, les limites de l'EDM du neutron à $|d_n| < 1,8 \times 10^{-26} \, e \, \text{cm}$ et les limites de l'EDM du muon à $\sim 10^{-19} \, e \, \text{cm}$) en fait des outils puissants pour tester les symétries fondamentales de Lorentz et de CPT. Dans le cadre de l'Extension du Modèle Standard (SME), qui incorpore tous les termes de violation de Lorentz possibles dans l'action de la relativité générale et du modèle standard, la violation de la CPT est nécessairement accompagnée d'une violation de Lorentz. Bien que des limites étendues existent pour de nombreux coefficients SME, certains coefficients spécifiques pertinents pour la précession de spin dans les environnements confinés de neutrons et d'anneaux de stockage restent non contraints. Le problème abordé est l'absence de correspondances théoriques explicites entre les EDM mesurés dans ces configurations expérimentales spécifiques et les coefficients SME particuliers régissant la violation de Lorentz et de CPT.

Méthodologie
L'article analyse les contributions de violation de Lorentz et de CPT aux fréquences de précession de spin dans le cadre de la SME pour deux configurations expérimentales distinctes :

1. Neutrons confinés : Pour les expériences d'EDM de neutrons, les auteurs utilisent la théorie des perturbations pour dériver les effets de premier ordre. L'analyse suppose un référentiel d'appareil où les champs magnétique ($\vec{B}$) et électrique ($\vec{E}$) sont alignés selon l'axe $x_3$. Le décalage d'énergie ($\delta E_s$) est calculé comme la valeur attendue de l'Hamiltonien de violation de Lorentz perturbatif ($\delta H$) sur les états stationnaires non perturbés du neutron ($\chi_s$). En inversant la direction du champ électrique tout en maintenant le champ magnétique fixe, les auteurs isolent une différence de fréquence de violation de Lorentz ($\Delta \omega_{n, LV}$).

2. Expériences en anneau de stockage : Pour les particules chargées (protons, muons et antiparticules) dans les anneaux de stockage, l'étude utilise une équation de Bargmann-Michel-Telegdi (BMT) généralisée qui incorpore la violation de Lorentz et de CPT. L'analyse considère des particules confinées par des champs électriques radiaux et des champs magnétiques uniformes dirigés vers le haut. Les auteurs dérivent la modification de la composante radiale de la fréquence de précession de spin ($\delta \omega_{s, LV}^{rad}$) résultant de la violation de Lorentz, en l'exprimant en termes de coefficients « hacheck » spécifiques ($\check{H}, \check{b}, \check{g}$) qui sont des fonctions des coefficients SME fondamentaux, de la masse de la particule ($m_w$), de la vitesse ($\vec{\beta}$) et du facteur de Lorentz ($\gamma$).

Contributions clés et résultats
La contribution principale de ce travail est l'établissement de correspondances mathématiques explicites entre les observables EDM standards et les coefficients SME spécifiques :

• EDM du neutron : L'analyse révèle qu'un décalage de fréquence de violation de Lorentz imite un signal d'EDM. En comparant le décalage de fréquence standard de l'EDM ($\Delta \omega_{n, EDM} = 4d_n E$) avec le décalage de violation de Lorentz dérivé, l'article établit la correspondance :
  $$|d_n| \longleftrightarrow |\tilde{b}^{303}_{F,n}|$$
  où $\tilde{b}^{303}_{F,n}$ est une combinaison linéaire de coefficients SME ($b^{(5)}, H^{(5)}, d^{(6)}, g^{(6)}$) spécifiques au neutron.

• EDM en anneau de stockage : De même, en comparant la contribution EDM standard de la BMT avec le terme de violation de Lorentz de la BMT généralisée, l'article dérive la correspondance :
  $$|d_w| \longleftrightarrow \frac{|\delta \omega_{s, LV}^{rad}|}{2|\vec{E} + \vec{\beta} \times \vec{B}|}$$
  Cette relation lie l'EDM mesuré d'une espèce de particule $w$ à une combinaison spécifique de coefficients SME ($\check{H}^{03}_w, \check{b}^{11}_{F,w}, \check{b}^{22}_{F,w}, \check{g}^{33}_{F,w}, \check{H}^{33}_{F,w}$) dépendant de la cinématique de la particule.

Signification et affirmations
L'article affirme que ces relations dérivées fournissent la base théorique nécessaire pour fixer les premières limites sur plusieurs coefficients SME précédemment non contraints. En traduisant les limites expérimentales existantes sur les EDM de neutrons, de muons et d'antimuons en contraintes sur les coefficients SME pertinents, les études futures pourront utiliser les données actuelles pour sonder la symétrie de Lorentz et de CPT dans de nouveaux secteurs. Les auteurs notent que bien que les relations soient établies dans le référentiel de l'appareil, la transformation de ces limites vers le référentiel centré sur le Soleil (requis pour un rapport standard) implique des transformations de coordonnées détaillées dans la littérature antérieure. Le travail ne propose pas de nouvelles expériences, mais fournit plutôt le cadre analytique permettant de réinterpréter les données de haute précision existantes des EDM comme des tests de la symétrie de Lorentz et de CPT.