[論文レビュー] Testing Gravity with Muonium

K. Kirch|ArXiv.org|Feb 16, 2007

Muon and positron interactions and applications参考文献 15被引用数 9

ひとこと要約

本論文は、マハーズン干渉計を用いた高輝度のミュオン分子ビームを用いて、反物質の重力的相互作用を実験的に検証する可能性のある実験を提案している。5年以内にミュオン分子の重力加速度 g を10%未満の精度で測定することを目的としており、最近のミュオンビーム圧縮技術および超流動ヘリウム中でのミュオン分子生成技術の進展を活用し、重力位相差の高精度な干渉測定が可能となる。

ABSTRACT

Recently a new technique for the production of muon ($μ^+$) and muonium ($μ^+e^-$) beams of unprecedented brightness has been proposed. As one consequence and using a highly stable Mach-Zehnder type interferometer, a measurement of the gravitational acceleration $\bar{g}$ of muonium atoms at the few percent level of precision appears feasible within 100 days of running time. The inertial mass of muonium is dominated by the mass of the positively charged - antimatter - muon. The measurement of $\bar{g}$ would be the first test of the gravitational interaction of antimatter, of a purely leptonic system, and of particles of the second generation.

研究の動機と目的

• 純粋にレプトン系を用いた反物質の重力的相互作用の初の直接的実験的検証を実施すること。
• ミュオン分子の重力加速度 g を10%未満の精度で測定し、反物質における等価原理の主要なテストを実施すること。
• 反物質重力実験において、電磁界の干渉によって生じる従来の実験的制限を克服すること。
• ミュオン分子が約99.5%の反物質を占めることと、高いビーム輝度を活用して感度の高い重力測定を実現すること。
• 一般相対性理論の反物質領域におけるテストという新しい実験的フロンティアを確立すること。

提案手法

• 新開発の技術を用いて、速度が約6300 m/s、1次元発散角が約43 mradの高輝度でほぼ単色のミュオン分子ビームを生成すること。
• 重力位相差を測定するため、3つの同一で等間隔に配置された平行な回折格子を用いたマハーズン型干渉計を実装すること。
• レーザー干渉計を用いて、50 pm未満の精度で干渉計部品のリアルタイムの整列、フィードバック、安定化を実施すること。
• 重力効果を除去しながらもレーザー干渉パターンを保持するため、装置をπ/2回転させることで重力シフトをキャリブレーションすること。
• セグメント化されたシンチレーターを用いてミュオン分子の崩壊から発生する陽電子を検出するとともに、マイクロチャネルプレートを用いて静電的に加速された電子を検出することで、崩壊位置を特定すること。
• 陽電子と電子の一致検出を用いて、上流のミュオン崩壊からのバックグラウンドを抑制し、信号対雑音比を向上させること。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 99.5%が反物質からなるミュオン分子の重力加速度が、10%未満の精度で測定可能か？
• RQ2 反物質と物質の間の重力的相互作用は、一般相対性理論の予測に従うか、純粋にレプトン系を用いた実験で検証可能か？
• RQ3 ミュオン分子の寿命が2.2 μsという短さであるにもかかわらず、マハーズン干渉計が重力位相差を検出可能か？
• RQ4 環境ノイズおよびサニャック効果から重力位相差を解離するために、どの程度の機械的および整列安定性が求められるか？
• RQ5 現在のミュオンビーム技術の進展を活用して、重力測定に必要なビーム輝度とコherー二ティを達成するのは現実的か？

主な発見

• 干渉計における重力位相差はΦg ≈ 0.003と推定され、地球の自転に起因するサニャック効果（約3×10−4）よりも1桁大きい。
• 3番目の格子の機械的安定性は50 pm未満（50 pm）である必要があり、重力信号を超える位相差を避けるためである。
• 回転歪みは20 μrad未満に抑える必要がある。これにより干渉対比が維持される。
• ミュオン分子ビームは約10^5 s−1のフラックスで生成可能であり、エネルギー幅ΔE/E ≈ 0.5/270であるため、高精度な干渉測定が可能となる。
• 5年以内に実現可能であり、g の測定精度は10%未満に達する見込みである。
• 干渉計をπ/2回転させることで重力シフトをキャリブレーション可能であり、重力効果とサニャック効果を区別できる。