[論文レビュー] Search for exotic spin-dependent interactions with a spin-based amplifier

Haowen Su, Yuanhong Wang+6 more|arXiv (Cornell University)|Mar 29, 2021

Atomic and Subatomic Physics Research参考文献 59被引用数 74

ひとこと要約

本論文では、光ボソンによって媒介される、スピンおよび速度に依存する相互作用を検出するため、ハイパーポラライズド129Xeおよび87Rbスピンを用いたスピンベースの増幅器を提案する。共鳴結合と約600のフェルミ接触増幅因子を活用することで、擬似磁界を100倍以上増幅し、0.03–100 mの距離範囲における偏極および非偏極核子間の相互作用について、過去の制限より少なくとも2桁以上改善された新たな制限を確立した。

ABSTRACT

Development of new techniques to search for particles beyond the standard model is crucial for understanding the ultraviolet completion of particle physics. Several hypothetical particles are predicted to mediate exotic spin-dependent interactions between particles of the standard model that may be accessible to laboratory experiments. However, laboratory searches are mostly conducted for static spin-dependent interactions, with only a few experiments so far addressing spin- and velocity-dependent interactions. Here, we demonstrate a search for exotic spin- and velocity-dependent interactions with a spin-based amplifier. Our technique makes use of hyperpolarized nuclear spins as a pre-amplifier to enhance the effect of pseudo-magnetic field produced by exotic interactions by an amplification factor of > 100. Using such a spin-based amplifier, we establish constraints on the spin- and velocity-dependent interactions between polarized and unpolarized nucleons in the force range of 0.03-100 m. Our limits represent at least two orders of magnitude improvement compared to previous experiments. The established technique can be further extended to investigate other exotic spin-dependent interactions.

研究の動機と目的

• 標準模型を越えるエキゾチックなスピンおよび速度に依存する相互作用を検出するための新しい実験的手法の開発。
• 主に静的スピンに依存する相互作用に焦点を当てた従来の探索の限界を克服すること。
• 共鳴スピン増幅メカニズムを用いて、長距離に及ぶ軽量ボソン媒介相互作用への感度を向上させること。
• V4+5およびV12+13相互作用の結合定数に関する制限を、少なくとも2桁以上改善すること。

提案手法

• 空間的に重なり合うハイパーポラライズド87Rbおよび129Xeを用いたスピンベースの増幅器を用い、エキゾチカルな擬似磁界から生じる信号を増幅する。
• 非偏極BGO結晶の回転周波数と129Xeスピンのラーモア周波数との間の共鳴結合を用いて、微弱な相互作用を増幅する。
• 87Rbスピンの光学的検出を用いた原子磁気計測により、エキゾチカルな相互作用によって誘起された129Xeの横磁化を読み出す。
• スピン交換緩下および外部およびエキゾチカルな磁界下でのプリセッションを含むスピンダイナミクスを記述するため、結合されたブロッホ方程式を用いる。
• 擬似磁界の主要な高調波成分を分離するために、回転周波数ν ≈ 4.997 Hzでロックイン検出を適用する。
• 狭帯域増幅および磁気シールドを用いて、高調波およびバックグラウンド信号をフィルタリングする。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 スピンベースの増幅器は、エキゾチカルなスピンおよび速度に依存する相互作用の検出感度を向上させることができるか？
• RQ2 共鳴配置におけるハイパーポラライズド核スピンを用いて、達成可能な最大増幅係数は何か？
• RQ3 回転するBGOおよびアルミナムロッドから生じる擬似磁界のスペクトル的性質および高調波構造はどのように異なるか？
• RQ4 この技術を用いることで、f4+5およびf12+13結合定数に関する既存の実験的制限はどの程度改善できるか？
• RQ5 この手法は、BGO結晶由来の信号とアルミナムロッド由来のバックグラウンド寄与を区別できるか？

主な発見

• スピンベースの増幅器は、エキゾチカルな相互作用によって誘起された擬似磁界に対して100倍以上の増幅係数を達成した。
• 本実験では、0.03 mから100 mの距離範囲において、次元なしの結合定数f4+5 < 10−18の新たな制限を確立した。
• V12+13相互作用に関しては、同じ範囲でf12+13 < 10−33まで制限が改善され、少なくとも2桁の改善が達成された。
• 数値シミュレーションにより、周波数νにおける主要な信号成分がBGO結晶由来であることが確認されたのに対し、アルミナムロッドは偶数高調波（2ν、4νなど）のみを生成した。
• スピンベースの増幅器の狭帯域特性により、2ν周波数の信号が効果的に抑制され、BGO結晶由来のν周波数成分のクリアな検出が可能になった。
• 本技術は、高い感度で速度およびスピンに依存する相互作用を検出可能なことを示し、未来のパリティ破れ相互作用の探索に応用可能である。