[論文レビュー] The PVLAS experiment: a 25 year effort to measure vacuum magnetic birefringence

A. Ejlli, F. Della Valle+5 more|arXiv (Cornell University)|May 26, 2020

Dark Matter and Cosmic Phenomena参考文献 136被引用数 6

ひとこと要約

この論文は、2.5 Tの高磁場下で超高精度な偏光測定を用いて真空中の磁気的双屈折（VMB）を検出するために25年間にわたり継続されたPVLAS実験の成果を詳述している。回転する超伝導磁石および後に永久磁石を用いたファブリ・ペロー干渉計により、2.5 TにおけるVMBおよび二色性の世界で最も厳しい制限を達成した。Δn(PVLAS) = (12 ± 17) × 10⁻²³および|Δκ|(PVLAS) = (10 ± 28) × 10⁻²³を測定したが、熱的および光路のノイズにより、QEDの予測値（約7倍）を下回った。

ABSTRACT

This paper describes the 25 year effort to measure vacuum magnetic birefringence and dichroism with the PVLAS experiment. The experiment went through two main phases: the first using a rotating superconducting magnet and the second using two rotating permanent magnets. The experiment was not able to reach the predicted value from QED. Nonetheless the experiment set the current best limits on vacuum magnetic birefringence and dichroism for a field of $B_{ m ext} = 2.5$ T, namely, $Δn^{ m (PVLAS)} = (12\pm17) imes10^{-23}$ and $|Δκ|^{ m (PVLAS)} = (10\pm28) imes10^{-23}$. The uncertainty on $Δn^{ m (PVLAS)}$ is about a factor 7 above the predicted value of $Δn^{ m (QED)} = 2.5 imes10^{-23}$ @ 2.5 T.

研究の動機と目的

• 量子電磁力学（QED）の低エネルギー領域における予測を実験的に直接検証するため、制御された実験室環境下で真空中の磁気的双屈折（VMB）および二色性を測定すること。
• 標準模型を超える新しい物理現象を探索するため、アキソン様粒子、ミリチャージド粒子、カミオン場の存在を調査すること。
• 屈折率の変化が10⁻²³未塔のレベルである超高安定偏光測定技術の開発および最適化を図ること。
• 特に熱的および機械的ノイズに起因する系のノイズ源を克服し、高 finesse のファブリ・ペロー共振器における感度を向上させること。

提案手法

• 高 finesse のファブリ・ペロー共振器を用いて、光路長を増加させ、双屈折に対する感度を向上させた。
• 回転する超伝導磁石および後に永久磁石を用いて、既知の周波数で双屈折信号を変調し、ロックイン検出を可能にした。
• 外部磁場に対して垂直および平行な偏光状態を測定する二重偏光方式を採用し、n∥およびn⊥の屈折率を別々に測定した。
• キャリブレーションとして、コットン＝ムトン効果およびファラデー効果の測定を実施し、機器に起因する双屈折および位相差の補正を実施した。
• ノイズ予算解析を用いて、機械的振動、余分な磁場、散乱光に起因する誤差信号を特定・抑制した。
• 位相整合型フーリエ分解法を用い、物理的信号と機械的干渉を区別した。これには、信号が1つのスペクトルチャンネル（1 μHz未塔の分解能）に集中していることが必要条件であった。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 低エネルギー領域における実験室で真空中の磁気的双屈折が測定可能であるか。これはQEDの予測を確認するものである。
• RQ2 超高高 finesse ファブリ・ペロー偏光計における主な系のノイズ源は何か。それらはどのように低減できるか。
• RQ3 仮説的な粒子、例えばアキソン様粒子やミリチャージド粒子が観測された双屈折または二色性にどの程度寄与しているか。
• RQ4 偏光測定実験の感度を、2.5 TにおけるQED予測値（2.5 × 10⁻²³）に達するまで向上させることは可能か。
• RQ5 パulses磁石や偏光の変調といった実験的構成は、現実的な積分時間内で必要な信号対雑音比を達成できるか。

主な発見

• PVLAS実験は、2.5 Tにおける真空中の磁気的双屈折について、現在最も厳しい実験的制限を設定した：Δn(PVLAS) = (12 ± 17) × 10⁻²³。
• 2.5 Tにおける真空中の二色性について、|Δκ|(PVLAS) = (10 ± 28) × 10⁻²³という制限を測定した。
• Δn(PVLAS)の不確かさは、2.5 TにおけるQED予測値（2.5 × 10⁻²³）のおよそ7倍大きい。
• ファブリ・ペロー共振器内の熱的ノイズが、長時間積分を行っても感度を制限する主要な帯域幅広いノイズ源であると特定された。
• 遮光部の設計、チューブの中心合わせ、位相整合モニタリングにより、散乱光および機械的振動に起因する系の信号がノイズ下限以下に低減された。
• 余剰のLHC電磁石（9 T、14.3 m）を用いた新規実験では、1日未塔で信号対雑音比1に達する可能性があり、今後の実験的道筋が明確になった。