[論文レビュー] Torsion-balance probes of fundamental physics

E. G. Adelberger|arXiv (Cornell University)|Aug 14, 2013

Noncommutative and Quantum Gravity Theories被引用数 5

ひとこと要約

この論文は、極めて微弱な力の検出によって基礎物理学を調べるねじり秤実験をレビューしている。重力の普遍的自由落下、逆二乗法則の破れ、ローレンツ対称性の検証を対象としている。10^13倍も重力より弱い力にまで到達する画期的な感度を示し、スカラーやベクトル場、カメレオン粒子、スピン依存相互作用といった新しい物理現象の制約が可能になった。非可換幾何学の制約は3×10^13 GeVにまで達している。

ABSTRACT

This white paper is submitted as part of Snowmass2013 (subgroup CF2). The extraordinary sensitivity of torsion-balances can be used to search for the ultra-feeble forces suggested by attempts to unify gravity with the other fundamental interactions. The motivation, the results and their implications as well as the future prospects of this work are summarized. The experiments include tests of the universality of free fall (weak equivalence principle), probes of the short-distance behavior of gravity (inverse-square law tests for extra dimensions and exchange forces from new meV scale bosons), and Planck-scale tests of Lorentz invariance (preferred-frame effects, non-commutative geometries).

研究の動機と目的

• ねじり秤実験を用いて、重力の普遍的自由落下（UFF）および弱等価原理（WEP）を、これまでにない感度で検証すること。
• ミリメートル未満のスケールで重力の逆二乗法則（ISL）の破れを検出することにより、新しい力や余剰次元を調べること。
• ローレンツ対称性の破れおよび非可換幾何学に起因する新しいスピン依存相互作用を、偏光した電子スピン振り子を用いて検出すること。
• 高精度なねじり秤測定を用いて、カメレオンボソンや擬スピンゴルドストーン粒子のような仮想的新粒子を制約すること。
• 材料技術、ノイズ低減、対称性最適化の技術的進歩を通じて、実験感度を向上させ、基礎物理学の検証範囲を拡大すること。

提案手法

• 異なる試料組成のねじり振子を用いて、地球、太陽、銀河などの引き寄せられる物体への相対加速度を測定する。
• 一般化された原子電荷（Z cosψ + N sinψ）に結合するユカワ型相互作用をパラメータ化し、質量のみに依存する結合からのずれをテストする。
• 低損失の支持線を用いた高感度ねじり秤装置を導入し、熱的ノイズを低減し、力の感度を向上させる。
• 電子スピンを偏光させた振り子とスピン源を用いて、スピン依存力およびフレームに依存する効果（宇宙背景放射の静止系に起因するものも含む）を検出する。
• 標準模型拡張（SME）フレームワークを用いてローレンツ対称性の破れに起因する相互作用を分析し、SME係数の制約を導出する。
• 小さな試料体を用いて、密度の高い物質ではスクリーニングが起こるカメレオン型スカラーフィールドを調べ、重力定数に相当する結合に感度をもたせる。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 電気的に中性な物質における自由落下の普遍性からの最大ずれは何か？ そしてそれは新しいスカラーフィールドやベクトル場に何を示唆するか？
• RQ2 50 μm未満の長さスケールで重力の逆二乗法則の破れを検出できるか？ そのような信号が余剰次元や新しい力に何を示唆するか？
• RQ3 ローレンツ対称性の破れまたは非可換幾何学に起因するスピン依存相互作用の限界は何か？ そしてそれは高エネルギー物理学モデルにどのように制約を加えるか？
• RQ4 ねじり秤実験は、重力定数に相当する結合を持つカメレオン場理論をどの程度まで除外できるか？
• RQ5 宇宙背景放射の静止系によって定義されるフレームに依存する効果は、ねじり振子内の電子スピンの向きにどのように影響を与えるか？

主な発見

• ねじり秤実験は、重力の10^13倍も弱い力にまで到達する感度を達成し、標準模型を超える新しい物理現象に対するきびしい制約を設定した。
• 銀河中心への相対加速度の測定から、水素と暗黒物質の間の非重力的相互作用が、全重力的加速度の10％未満であることが示された。
• 反水素の重力的加速度は水素と10^9分の1以内の差異しか示さず、重力のベクトル成分に対する強い制約を確認した。
• これまでで最も感度の高いISL実験は、50 μmより長いスケールで重力定数に相当する相互作用を除外した。現在の制約は余剰次元の大きさを44 μm未満に制限している。
• ローレンツ対称性の破れに起因するSMEパラメータの制約は、プランクスケールのベンチマークより4〜5桁小さい値であり、極めて高い感度を示した。
• 非可換幾何学の制約は、エネルギースケール3×10^13 GeVに相当し、これまでで最もきびしいテストの一つである。