[論文レビュー] Past electron-positron g-2 experiments yielded sharpest bound on CPT violation

Hans Dehmelt, R. Mittleman+2 more|arXiv (Cornell University)|Jun 7, 1999

Particle physics theoretical and experimental studies被引用数 8

ひとこと要約

この論文は、新しい指標 r_a = |a⁻ − a⁺| < 2×10⁻¹² を用いて、過去の電子および陽電子のサイクロトロン周波数およびスピン・サイクロトロン周波数測定を再分析し、CPT対称性の破れに対してきびしい制約を設定した。これは、質量差の上限 |m(e⁻,↑) − m(e⁺,↓)|/m₀ < 12×10⁻²² に相当する。この結果は、特定の理論的モデルに依存せず得られており、今日までに得られたレプトン系におけるCPT対称性の破れに対する最も鋭い直接実験的制約である。

ABSTRACT

In our past experiments on a single electron and positron we measured the cyclotron and spin-cyclotron difference frequencies omega_c and omega_a and the ratios a = omega_a/ omega_c at omega_c = 141 Ghz for e^- and e^+ and later, for e^- only, also at 164 Ghz. Responding to comments by Kostelecky's group we have reevaluated those past electron-positron data in order to obtain from them a figure of merit for violation of CPT symmetry analogous to the widely recognized r_K=|m_Kaon - m_Antikaon|/m_Kaon = 2*10^-18 value for kaon and anti-kaon. That expression may be seen as comparing experimental relativistic masses of particle states before and after the CPT operation has transformed particle into antiparticle. Such a figure of merit, found by us from our r_a = |a^- - a^+|&lt; 2*10^-12 data, independent of any special theories, was even smaller, r_a*(h_bar*omega_c/m_0*c^2) = |m(e^-,Spin up)-m(e^+,Spin down)|/m(0e)&lt; 12*10^-22.

研究の動機と目的

• CPT対称性の破れの兆候を、過去の電子および陽電子のサイクロトロン周波数およびスピン・サイクロトロン周波数測定を再評価することにより探る。
• CPT対称性の検証に用いる、カリオン-反カリオン質量差比 r_K に類似した理論モデルに依存しない指標 r_a を確立する。
• CPT変換下での電子および陽電子状態間の相対論的質量差に定量的な制約を課す。
• 既存の実験データを用いて、電荷を帯びたレプトン系におけるCPT対称性の検証感度を向上させる。
• 捕獲された単一粒子を用いた将来のCPT対称性の破れ探索のベンチマークを提供する。

提案手法

• 141 GHz で電子および陽電子のサイクロトロン周波数 ω_c およびスピン・サイクロトロン周波数 ω_a を測定し、電子については 164 GHz でも測定する。
• e⁻ および e⁺ それぞれについて、a = ω_a / ω_c の比を計算し、スピン依存の質量シフトを調べる。
• 粒子と反粒子状態の間の潜在的な非対称性を定量化するため、CPT対称性の破れを示す指標 r_a = |a⁻ − a⁺| を定義する。
• r_a < 2×10⁻¹² を用いて、r_a × (ħω_c / m₀c²) < 12×10⁻²² により正規化された質量差の上限を導出する。
• m₀ が静止質量であるとき、相対論的質量差 |m(e⁻,↑) − m(e⁺,↓)| / m₀ にこの制約を適用する。
• 分析が特定の理論的モデルに依存せず、実験的観測量のみに依存するように保証する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 既存の単一粒子の電子および陽電子実験から、理論モデルに依存しないCPT対称性の破れの制約を得ることは可能か？
• RQ2 過去の g-2 実験から得られる、レプトン系におけるCPT対称性の破れの最もきびしい制限は何か？
• RQ3 e⁻ と e⁺ 間の a = ω_a / ω_c の比の測定された非対称性は、CPT対称性の予測とどの程度一致するか？
• RQ4 実験データによって制約される範囲で、CPT変換下での電子および陽電子状態間の有効質量差は何か？
• RQ5 r_a = |a⁻ − a⁺| という指標は、他の粒子系と比較して、CPT対称性の破れの制約を競争的に設定できるか？

主な発見

• 再分析により、a = ω_a / ω_c の比の非対称性に関する制約が得られた：|a⁻ − a⁺| < 2×10⁻¹²。
• この非対称性は、r_a × (ħω_c / m₀c²) < 12×10⁻²² という正規化された質量差の上限に翻訳される。
• その結果、e⁻（スピンアップ）と e⁺（スピンダウン）状態間の相対論的質量差に関する上限は、|m(e⁻,↑) − m(e⁺,↓)| / m₀ < 12×10⁻²² である。
• この制約は、カリオン系の既知の r_K = 2×10⁻¹⁸ よりも顕著にきびしく、レプトン系における感度の高さを示している。
• この結果は、特定のCPT対称性の破れ理論を仮定せず、実験データのみに依存して得られている。
• 分析により、過去の e⁻/e⁺ 実験において、正規化された質量差のレベルでCPT対称性の破れの信号は検出可能でないことが確認された。