[論文レビュー] Search for an exotic parity-odd spin- and velocity-dependent interaction using a magnetic force microscope

Xiaofang Ren, Jianbo Wang+5 more|arXiv (Cornell University)|Jul 23, 2021

Atomic and Subatomic Physics Research参考文献 71被引用数 15

ひとこと要約

本研究では、マイクロメータースケールにおける電子と無極性核子の間に、パリティ奇性でスピンおよび速度に依存する相互作用が存在するかを、スピン極性化した先端を備えた磁気力顕微鏡を用いて調査した。周期的な金/シリカ酸化物核子源の上を先端を走査したが、特異な信号は観測されず、15 µm から 180 µm の相互作用範囲において、$ g^A_e g^V_N \leq 9 \times 10^{-15} $ の新たな上限が設定された。

ABSTRACT

Exotic spin-dependent interactions may be generated by exchanging hypothetical bosons that have been proposed to solve some mysteries in physics by theories beyond the standard model of particle physics. The search for such interactions can be conducted by tabletop scale experiments using high precision measurement techniques. Here we report an experiment to explore the parity-odd interaction between moving polarized electrons and unpolarized nucleons using a magnetic force microscope. The polarized electrons are provided by the magnetic tip at the end of a silicon cantilever, and their polarizations are approximately magnetized in the plane of the magnetic coating on the tip. A periodic structure with alternative gold and silicon dioxide stripes provides unpolarized nucleons with periodic number density modulation. The exotic forces are expected to change the oscillation amplitude of the cantilever which is measured by a fiber laser interferometer. Data has been taken by scanning the tip over the nucleon source structure at constant separation, and no exotic signal related to the density modulation has been observed. Thus, the experiment sets a limit on the electron-nucleon coupling constant, $g_A^eg_V^N\leq 9 imes 10^{-15}$ for 15 $\mu$m $\le \lambda \le$ 180 $\mu$m, using a direct force measurement method.

研究の動機と目的

• マイクロメーター距離における電子と核子の間のパリティ奇性でスピンおよび速度に依存する相互作用の検証。
• 直接力測定を用いて、標準模型を超える仮説的な新物理を探る。
• 軽量ボソン交換モデルにおける電子-核子結合定数の制約を強化する。
• 高精度の力センシングを備えたテーブルトップ実験を用いて、弱い特異な相互作用を検出する。

提案手法

• コバルトクロム被膜を施したスピン極性化した先端を備えた磁気力顕微鏡が、マイクロメータースケールの距離で力を測定する。
• 感度を速度に依存する力に最大化するために、先端を共鳴状態で駆動する。
• 周期的な金/SiO2パターンにより、核子密度の空間的変調を提供し、信号の識別を向上させる。
• レーザー干渉計を用いて、カンチレバーの振幅変位を測定することで、力の変化を検出する。
• スピンに依存する力と静電的およびカシミール背景効果を分離するために、システムをキャリブレーションする。
• 理論的モデリングでは、$ \lambda $ を相互作用範囲として、$ V = \frac{g^A_e g^V_N \hbar}{4\pi} \hat{\sigma} \cdot \mathbf{v} \frac{e^{-r/\lambda}}{r} $ のポテンシャルを用いる。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 磁気力顕微鏡はマイクロメータースケールでパリティ奇性でスピンおよび速度に依存する相互作用を検出可能か？
• RQ2 この相互作用モデルにおける電子-核子結合定数の感度限界は何か？
• RQ3 核子密度の空間的変調が、力測定における信号検出をどのように向上させるか？
• RQ4 直接力測定は、従来の間接的または磁気共鳴に基づく限界を上回れるか？
• RQ5 15 µm から 180 µm の相互作用範囲において、結合定数 $ g^A_e g^V_N $ の制約は何か？

主な発見

• 核子密度変調に関連する特異な信号は、走査中に観測されなかった。
• 本実験により、15 µm から 180 µm の相互作用範囲において、$ g^A_e g^V_N \leq 9 \times 10^{-15} $ の新たな上限が設定された。
• この上限は直接力測定を用いて導出され、従来の間接的手法を改善した。
• 結果は、同様の範囲における原子磁気計および中性子スピン緩和実験と同等の性能を示した。
• 有限要素法モデリングおよびカンチレバー特性のキャリブレーションにより、測定感度が検証された。
• 今後のナノスケール力センサを用いた探索の可能性を示した。