[論文レビュー] A new limit on the permanent electric dipole moment of ^{199}Hg

Michael Romalis, W. C. Griffith+1 more|arXiv (Cornell University)|Dec 1, 2000

Geophysics and Gravity Measurements被引用数 12

ひとこと要約

本研究では、平行な電場と磁場の下で、UVレーザーを用いたスピン進動法を用いて、$^{199}$Hgの永久電気双極子モーメント（EDM）の新しい測定を行った。結果は$d(^{199}{\rm Hg}) = -(1.06 \pm 0.49 \pm 0.40) \times 10^{-28}\,e\,{\rm cm}$であり、95％信頼水準での上限は$|d(^{199}{\rm Hg})| < 2.1 \times 10^{-28}\,e\,{\rm cm}$に設定され、前回の上限を4倍改善し、標準模型を超えるCP対称性の破れを制約した。

ABSTRACT

We present the first results of a new search for a permanent electric dipole moment of the ^{199}Hg atom using a UV laser. Our measurements give d(Hg)= - (1.06 +/- 0.49 +/- 0.40) 10^{-28} e cm. We interpret the result as an upper limit |d(Hg)| &lt; 2.1 10^{-28} e cm (95% C.L.), which sets new constraints on theta_{QCD}, chromo-EDMs of the quarks, and CP violation in Supersymmetric models.

研究の動機と目的

• CP対称性の破れを標準模型を超えて探る鍵となるプローブである$^{199}$Hg原子の永久電気双極子モーメント（EDM）の実験的上限を改善すること。
• 超対称性、多ヒッグス模型、QCDアクシオンのシナリオを含むCP対称性の破れの理論的モデルを、モデルパラメータのより厳密な制約を通じてテストすること。
• 逆向きの電場を用いた新規な実験的設計により、EDM測定における系統誤差を低減すること。
• $^{199}$HgのEDM測定の統計的および系統的精度を向上させることで、新物理への感受性を高めること。

提案手法

• 磁場ノイズをキャンセルするため、逆向きの電場を持つ二重セル構成を用い、スピン進動周波数の精密な比較を可能にした。
• 1015 nmの半導体MOPAレーザーを4倍周波数変換して得られる253.7 nmのUVレーザー光を、$^{199}$Hgスピン極化の光学ポンプおよび検出に用いた。
• 線形偏光光の偏光面の回転を測定することでスピン進動を測定し、強度変調を用いて高感度で進動周波数を検出した。
• レーザー強度の安定化のためのフィードバックシステムを導入し、ノイズを低減した。また、リレーショナルでない高電圧供給装置を用いて、電源からの磁場干渉を最小限に抑えた。
• 対称的な電流経路とシールドを用いて、漏れ電流および$\vec{v} \times \vec{E}$力の影響をモニタリング・低減し、系統的バイアスを減少させた。
• 周波数測定はデジタルフィルタリングを施し、指数関数的に減衰する正弦波にフィットさせることで、高精度に進動周波数を抽出した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 現在のレーザー技術を用いた$^{199}$Hg原子の永久電気双極子モーメントに対する最も厳しい実験的上限は何か？
• RQ2 今回の測定は、以前の中性子EDMの上限と比較して、QCDの真空角$\bar{\theta}_{\rm QCD}$に対する制約をどの程度改善するか？
• RQ3 $^{199}$HgのEDM結果は、クォークのカラーエレクトリック双極子モーメント（chromo-EDMs）および超対称性・多ヒッグス模型におけるCP対称性の破れパラメータをどの程度制約するか？
• RQ4 漏れ電流、$\vec{v} \times \vec{E}$力、レーザーのノイズといった系統的効果は、どの程度制御可能であり、100秒未満のスピンコherenceと高精度周波数測定を達成するために必要な条件は何か？
• RQ5 二重セル・電場反転構成を用いたUVレーザー検出は、従来のEDM実験と比較して、ノイズ低減と感度向上にどの程度寄与するか？

主な発見

• 測定された$^{199}$HgのEDMは$d(^{199}{\rm Hg}) = -(1.06 \pm 0.49 \pm 0.40) \times 10^{-28}\,e\,{\rm cm}$であり、統計的不確かさは$\pm 0.49 \times 10^{-28}\,e\,{\rm cm}$、系統的不確かさは$\pm 0.40 \times 10^{-28}\,e\,{\rm cm}$である。
• EDMの上限は95％信頼水準で$|d(^{199}{\rm Hg})| < 2.1 \times 10^{-28}\,e\,{\rm cm}$に設定され、前回の最良の上限を4倍改善した。
• QCDの真空角に対する新たな制約が得られ、$|\bar{\theta}_{\rm QCD}| < 1.5 \times 10^{-10}$となった。これは中性子EDMの上限を4倍改善した。
• クォークのカラーエレクトリック双極子モーメントの線形結合に対する新たな上限が設定された：$e|\tilde{d}_{d} - \tilde{d}_{u} - 0.012\tilde{d}_{s}| < 7 \times 10^{-27}\,e\,{\rm cm}$。
• 半レプトン的CP対称性の破れパラメータ$C_S$および$C_T$に対する新たな制約が得られ、95％信頼水準で$C_S < 3 \times 10^{-7}$および$C_T < 1 \times 10^{-8}$となった。
• 自然性を仮定した場合、最小限の超対称性標準模型におけるCP対称性の破れ位相に対するより厳密な上限が得られ、$\varepsilon_{q}^{\rm SUSY} < 2 \times 10^{-3}$となった。