[論文レビュー] New Limit on the Permanent Electric Dipole Moment of $^{129}$Xe using $^{3}$He Comagnetometry and SQUID Detection

Natasha Sachdeva, I. Fan+21 more|arXiv (Cornell University)|Sep 26, 2019

Atomic and Subatomic Physics Research被引用数 5

ひとこと要約

本論文では、磁気遮蔽環境下で$^3$He共同磁化計測とSQUID検出を用いて、$^{129}$Xeの永久電気双極子モーメント（EDM）の新しい測定を提示している。実験は95%信頼水準で$|d_A(^{129}\text{Xe})| < 1.4 \times 10^{-27}~e\text{cm}$の感度を達成し、従来の上限に比べて5倍の改善を示し、標準模型を超えるCP対称性破れ相互作用に対するより厳しい制約を与える。

ABSTRACT

We report results of a new technique to measure the electric dipole moment of $^{129}$Xe with $^3$He comagnetometry. Both species are polarized using spin-exchange optical pumping, transferred to a measurement cell, and transported into a magnetically shielded room, where SQUID magnetometers detect free precession in applied electric and magnetic fields. The result from a one week measurement campaign in 2017 and a 2.5 week campaign in 2018, combined with detailed study of systematic effects, is $d_A(^{129}\mathrm{Xe}) = (1.4 \pm 6.6_\mathrm{stat} \pm 2.0_\mathrm{syst}) imes10^{-28}~e\,\mathrm{cm}$. This corresponds to an upper limit of $|d_A(^{129}\mathrm{Xe})| &lt; 1.4 imes 10^{-27} ~e\,\mathrm{cm}~(95\%~\mathrm{CL})$, a factor of five more sensitive than the limit set in 2001.

研究の動機と目的

• 標準模型を超える新しい物理現象の主要なプローブである$^{129}$Xeの永久電気双極子モーメント（EDM）への実験的感度を向上させること。
• $^3$He共同磁化計測と磁気遮蔽環境下でのSQUID検出を用いたEDM測定における系統的誤差を低減すること。
• QCD軸子の寄与や核子-核子CP対称性破れ相互作用を含む理論的モデルを、低エネルギーCP対称性破れパラメータに対するより厳しい制約を設けることで検証すること。
• 将来の高精度EDM実験に向け、SQUID検出法とスピン交換光学ポンピング、共同磁化計測技術を組み合わせた手法の妥当性を検証・精緻化すること。

提案手法

• $^{129}$Xeと$^3$Heはスピン交換光学ポンピング（SEOP）により極化され、磁気遮蔽室（BMSR-2）内の測定セルに移動された。
• 印加された電場および磁場の下で、核スピンの自由進動をSQUID磁気計測器を用いて検出した。
• ハミルトニアン$H = - (\mu \vec{F} \cdot \vec{B} + d \vec{F} \cdot \vec{E}) / F$により、ラーモア進動周波数のシフト$\omega_d = \pm d |E| / (\hbar F)$が誘発され、EDMが抽出された。
• 電場勾配、$|\vec{E}|^2$シフト、$\vec{E} \times \vec{v}$幾何位相といった系統的効果は、電場配置、セル圧力、磁場方向を変化させた複数回の実験を用いて正確にモデル化され、制約された。
• 共同磁化計測のドリフトは、独立した解析と改良された極化プロトコル（最適化された$^{129}$Xe/$^3$He極化比と$\pi/2$フリップタイミングを含む）により補正された。
• 統計的誤差と系統的誤差は重み付き平均を用いて統合され、最終結果は2017年と2018年の2回の測定キャンペーンから導かれた。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 SQUID検出と$^3$He共同磁化計測を用いた$^{129}$Xeの永久電気双極子モーメントに対する現在の最良の実験的上限は何か？
• RQ2 希ガス系におけるEDM測定に影響を与える系統的効果（$\vec{E} \times \vec{v}$幾何位相、$|\vec{E}|^2$シフトなど）はどのように影響を及ぼすか？
• RQ3 最適化された極化、SQUIDのノイズ低減、および測定時間の延長によって、$^{129}$XeのEDM測定感度はどの程度向上できるか？
• RQ4 新しい結果が、$\bar{g}_{\pi}^{0,1}$、$\bar{\theta}$、QCD軸子結合$C_T$といった低エネルギーCP対称性破れパラメータに与える制約はどの程度か？
• RQ5 $^{129}$Xeは将来の中性子EDM実験において実用的な共同磁化計測器として利用可能か？他の系と比較して感度はどの程度か？

主な発見

• 2017年と2018年のキャンペーンの統合結果は、$d_A(^{129}\text{Xe}) = (1.4 \pm 6.6_{\text{stat}} \pm 2.0_{\text{syst}}) \times 10^{-28}~e\text{cm}$であり、95%信頼水準での上限は$|d_A(^{129}\text{Xe})| < 1.4 \times 10^{-27}~e\text{cm}$に相当する。
• これは2001年にRosenberryとChuppが設定した$6.6 \times 10^{-27}~e\text{cm}$の上限に比べ、感度が5倍向上したことを示している。
• 統計的誤差は$6.6 \times 10^{-28}~e\text{cm}$にまで低減され、系統的誤差は$2.0 \times 10^{-28}~e\text{cm}$と推定された。
• 衝突時間と進動周期の比が小さいことから、$\vec{E} \times \vec{v}$幾何位相効果が抑制されていることが確認され、測定モデルの妥当性が裏付けられた。
• EDMと$T_2^*$、共同磁化計測ドリフト率といったパラメータとの相関関係が調査され、補正が施されたことで、結果の信頼性が向上した。
• 低エネルギーCP対称性破れパラメータ$\bar{g}_{\pi}^{0,1}$と$\bar{\theta}$の制約は、それぞれ2倍および5倍に緩和された。QCD軸子寄与に関する境界も、先行研究と比較して約5倍に厳しくなった。