[論文レビュー] Testing Fundamental Physics in Antihydrogen Experiments

M. Charlton, S. Eriksson+1 more|arXiv (Cornell University)|Feb 21, 2020

Noncommutative and Quantum Gravity Theories参考文献 40被引用数 7

ひとこと要約

この論文は、CERNのALPHA実験における高精度な反水素分光測定が、CPT不変性、ローレンツ対称性、等価原理といった基礎的対称性をどのように検証するかを調査している。測定された1S–2S遷移周波数からローレンツおよびCPT破れに関する定量的制約を導出し、将来の反水素実験が標準模型を超える新しい物理を、未曾有の感度で探査可能であることを示している。

ABSTRACT

The recent advent of high precision antihydrogen spectroscopy opens the way to stringent experimental tests of the fundamental principles underlying particle physics and general relativity (GR), such as Lorentz and CPT invariance and the Einstein Equivalence Principle (EEP), on pure antimatter systems. In this paper, the nature and implications of these tests is investigated, with special reference to the ALPHA antihydrogen programme at CERN. This is underpinned by a theoretical review of the role of antiparticles, causality and fundamental symmetries in relativistic quantum field theory (QFT) and the theory of time measurement in GR. Low-energy effective theories which break Lorentz and CPT symmetry, or the Strong Equivalence Principle (SEP), are then introduced, together with a review of several `fifth force' scenarios involving new long-range forces which would effectively violate the universality of free-fall, or Weak Equivalence Principle (WEPff). The possible role of CPT violation in determining the matter-antimatter asymmetry of the Universe is discussed. Explicit calculations are given for the dependence on possible Lorentz and CPT violating couplings of the transition frequencies amongst the 1S, 2S and 2P hyperfine states measured in the magnetic field of the ALPHA trap and the resulting bounds are compared with existing limits. An analysis of the implications for the EEP of current free-fall and spectroscopic measurements with antihydrogen is presented and existing and potential bounds on WEPff and the universality of clocks (WEPc) are derived, together with constraints on fifth forces. Future prospects for high-precision antihydrogen spectroscopy, free-fall and gravitational redshift experiments, and anti-atom matter-wave interferometry are described and experimental possibilities involving other antimatter species are briefly outlined.

研究の動機と目的

• CERNのALPHA実験における反水素分光測定が、相対論的量子場理論および一般相対性理論の基礎的原理をどのように検証するかを評価すること。
• 磁場トラップ内における反水素遷移周波数に及ぼすローレンツおよびCPT破れの影響を分析すること。
• 弱い等価原理に対する反物質における破れを引き起こす可能性のある第五力のシナリオに対する制約を導出すること。
• 将来の反水素実験が、自由落下の普遍性および重力時間遅延の逸脱に対してどれほど感度が高いかを評価すること。
• 局所的量子場理論および一般相対性理論における理論的相関関係を踏まえ、CPT、ローレンツ、EEPの各対称性テストの相互作用を明確にすること。

提案手法

• ローレンツおよびCPT破れをモデル化するため、低エネルギー有効場理論（特に標準模型拡張（SME））を用いる。
• ALPHAトラップ内の磁場下で、1S、2S、2Pのハイパーファイン遷移周波数がSME係数にどのように依存するかを計算する。
• 理論的予測された遷移周波数シフトを、既存の実験的精度（約10^12のスケール）と比較し、ローレンツおよびCPT破れに関する制約を導出する。
• 新しい長距離力（スカラー、ベクトル、テンソル型）が反水素の自由落下および分光測定に与える影響を分析し、WEPffとWEPcの破れを区別する。
• 重力赤方偏移および反原子物質波干渉計が、時計の普遍性および強力等価原理の検証に果たす役割を評価する。
• 相対論的量子場理論および一般相対性理論の理論的基盤をレビューし、因果性、局所的ローレンツ不変性、CPT定理に焦点を当てる。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 SMEにおけるローレンツおよびCPT破れ項が、ALPHAトラップ内の磁場下で測定された反水素の1S–2S遷移周波数にどのように影響を与えるか。
• RQ2 反水素分光測定から得られたローレンツおよびCPT破れに関する現在の実験的制約は何か。また、それらは既存の限界と比較してどうか。
• RQ3 新たなスカラー、ベクトル、またはテンソル場を伴う第五力のシナリオは、時計の普遍性を損なわずに反物質における弱い等価原理の破れを観測可能にするか。
• RQ4 反水素実験が、アインシュタイン等価原理、CPT対称性、ローレンツ不変性の破れをどの程度明確に区別できるか。
• RQ5 将来の高精度分光測定、自由落下、物質波干渉計実験が、標準模型を超える新しい物理に対する感度をどの程度向上させるか。

主な発見

• 10^12スケールの精度で測定された反水素の1S–2S遷移周波数は、ローレンツおよびCPT対称性の厳しい検証を可能にし、SME係数に関する新たな制約をもたらした。
• 反水素における異なるハイパーファイン状態（1S、2S、2P）は、磁場トラップ内でのローレンツおよびCPT破れ項に対して異なる感度を示し、これらの対称性のマルチチャネルテストが可能となる。
• 既存のバルク物質実験は、反物質におけるWEPff破れを、初代の反水素自由落下実験が到達可能なレベルよりも数桁小さい範囲に制限している。
• ベクトル媒介の第五力は物質と反物質に対して逆符号で作用する可能性があるが、重力と同じように両者に引力を及ぼすテンソル力とは異なり、物質にはキャンセルされても反物質にはキャンセルされないような理論的構成は可能ではあるが、速度依存性のため正確には成立しない。
• 反水素分光測定や自由落下実験でゼロ結果が得られたとしても、WEPcが保存されていればWEPff破れは排除されないため、補完的測定の重要性が浮き彫りになる。
• 将来の反水素実験、特にELENA施設を活用することで、陽子捕獲効率が最大2桁向上すると予想され、連続運用と高精度テストのための系統的制御の向上が可能になる。