[논문 리뷰] Antimatter gravity with muonium

Daniel M. Kaplan, Ephraim Fischbach외 7명|arXiv (Cornell University)|2016. 01. 26.

Muon and positron interactions and applications참고 문헌 15인용 수 5

한 줄 요약

이 논문은 패스트리프트 인터퍼메터를 사용하여, PSI에서 몇 달간의 빔 시간 동안 10% 정밀도로 양성자성 입자의 중력 가속도를 직접 측정하는 방법을 제안한다. 이 실험은 렙톤성 및 제2세대 물질에 대한 중력의 첫 직접 테스트를 가능하게 하며, 전체적으로는 양성자성 입자의 중력 가속도를 측정하는 첫 시도가 될 수 있다.

ABSTRACT

The gravitational acceleration of antimatter, $\bar{g}$, has never been directly measured and could bear importantly on our understanding of gravity, the possible existence of a fifth force, and the nature and early history of the universe. Three avenues appear feasible for such a measurement: antihydrogen, positronium, and muonium. The muonium measurement requires a novel monoenergetic, low-velocity, horizontal muonium beam directed at an atom interferometer. The precision three-grating interferometer can be produced in silicon nitride or ultrananocrystalline diamond using state-of-the-art nanofabrication. The required precision alignment and calibration at the picometer level also appear to be feasible. With 100 nm grating pitch, a 10% measurement of $\bar{g}$ can be made using some months of surface-muon beam time, and a 1% or better measurement with a correspondingly larger exposure. This could constitute the first gravitational measurement of leptonic matter, of 2nd-generation matter and, possibly, the first measurement of the gravitational acceleration of antimatter.

연구 동기 및 목표

• 실험적으로 이루어지지 않은 바, 양성자성 입자인 무온 빔의 중력 가속도를 직접 측정하는 것.
• 양성자성 입자가 물질과 같은 비율로 떨어지는지 확인하여 등가원리 위반과 잠재적 새로운 물리학을 탐색하는 것.
• 제2세대 물질과 렙톤성 양성자성 입자에 대한 중력의 영향을 처음으로 직접 측정하는 것.
• 기존의 반수소 및 양전자성 원자 실험들과 보완되며, 새로운 실현 가능성을 가진 접근법을 제공하는 것.
• 원자 스케일의 중력 측정을 위해 피코미터 수준의 정렬 및 교정이 가능한 정밀 간섭계를 개발하는 것.

제안 방법

• 파울 슈레링어 연구소(PSI)에서 표면 무온 빔을 이용해 생성된 저속 수평 무온 빔을 사용한다.
• 실리콘 질화물 또는 초미세 결정 다이아몬드(UNCD)로 제작된 정밀한 3그레이팅 원자 간섭계를 통해 무온 빔을 통과시킨다.
• 피에조전기 액추에이터를 사용해 세 번째 그레이팅을 수직으로 이동시키고, 이동량에 따라 간섭 무늬를 측정한다.
• 심크로트론 또는 데스크톱 소스에서 유도된 연한 X선을 사용해 간섭계의 절대 위상을 교정하고 실시간으로 드리프트를 추적한다.
• 시간 해상도 간섭계(TFG)를 적용해 단기 안정성을 모니터링하고 X선 위상 측정과 상호 검증한다.
• 유한 요소 분석(FEA)을 사용해 그레이팅의 안정성을 모델링하고, 기계적 내구성을 높이기 위해 버팀대와 굽힘 힌지 구조를 최적화한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 양성자성 입자인 무온 빔(양성자와 전자의 결합 상태)의 중력 가속도를 원자 간섭계를 통해 직접 측정할 수 있는가?
• RQ2 일반 상대성 이론이 예측하는 바와 같이, 양성자성 입자인 무온 빔이 물질과 같은 중력 가속도를 경험하는가?
• RQ3 정밀한 3그레이팅 간섭계가 무온 빔의 중력 위상 이동을 측정하기 위해 필요한 피코미터 수준의 안정성과 정렬을 달성할 수 있는가?
• RQ4 실시간 위상 교정을 위해 연한 X선을 사용하는 것이 장기적인 간섭계 안정성을 유지하는 데 효과적인가?
• RQ5 필요한 무온 빔을 충분한 강도와 낮은 속도로 생성할 수 있는가? 이는 타당한 빔 시간 내에 측정 가능한 신호를 확보하기 위해 필수적이다.

주요 결과

• PSI에서 약 100 nm 그레이팅 간격과 몇 달간의 빔 시간을 사용하면, 무온 빔의 중력 가속도($\bar{g}$)를 약 10% 정밀도로 측정할 수 있다.
• 더 많은 빔 노출, 더 높은 강도 또는 향상된 탐지 효율성으로 1% 이내의 정밀도 측정이 가능하다.
• 실리콘 질화물 또는 초미세 결정 다이아몬드(UNCD) 막대에 50-nm 너비의 슬릿을 가진 간섭계 설계는 전자선 리소그래피와 반응 이온 에칭(RIE)을 통해 실현 가능하다.
• 프로토타입 그레이팅 제작은 앤드류 국립연구소의 나노스케일 물질 센터(CNM)에서 승인되었으며, 이미 시험 노출를 통해 실현 가능성이 입증되었다.
• 시간 해상도 간섭계(TFG)와 X선 위상 모니터링의 조합은 시스템 드리프트를 실시간으로 추적할 수 있게 하여 장기적 안정성을 보장한다.
• 굽힘 힌지와 버팀대가 있는 그레이팅 구조는 열 및 진동 하중 하에서도 기계적 안정성을 유지할 것으로 예상된다.