[논문 리뷰] New Limit on the Permanent Electric Dipole Moment of $^{129}$Xe using $^{3}$He Comagnetometry and SQUID Detection

Natasha Sachdeva, I. Fan외 21명|arXiv (Cornell University)|2019. 09. 26.

Atomic and Subatomic Physics Research인용 수 5

한 줄 요약

이 논문은 자기 차폐 환경에서 $^3$He 공공진계측과 SQUID 검출을 사용하여 $^{129}$Xe의 영구 전기 dipole moment(EDM)를 새로운 측정치로 제시한다. 실험은 95% 신뢰수준에서 $|d_A(^{129}\text{Xe})| < 1.4 \times 10^{-27}~e\text{cm}$의 감도를 확보하였으며, 이는 이전 한계보다 다섯 배 향상된 결과이며, 표준모형을 초월하는 CP 위반 상호작용에 대한 더 강력한 제약 조건을 제공한다.

ABSTRACT

We report results of a new technique to measure the electric dipole moment of $^{129}$Xe with $^3$He comagnetometry. Both species are polarized using spin-exchange optical pumping, transferred to a measurement cell, and transported into a magnetically shielded room, where SQUID magnetometers detect free precession in applied electric and magnetic fields. The result from a one week measurement campaign in 2017 and a 2.5 week campaign in 2018, combined with detailed study of systematic effects, is $d_A(^{129}\mathrm{Xe}) = (1.4 \pm 6.6_\mathrm{stat} \pm 2.0_\mathrm{syst}) imes10^{-28}~e\,\mathrm{cm}$. This corresponds to an upper limit of $|d_A(^{129}\mathrm{Xe})| &lt; 1.4 imes 10^{-27} ~e\,\mathrm{cm}~(95\%~\mathrm{CL})$, a factor of five more sensitive than the limit set in 2001.

연구 동기 및 목표

• 표준모형을 초월하는 새로운 물리학의 핵심 탐사수단인 $^{129}$Xe의 영구 전기 dipole moment(EDM)에 대한 실험 감도를 향상시키기 위해.
• 자기 차폐 환경에서 $^3$He 공공진계측과 SQUID 기반 검출을 사용하여 EDM 측정의 시스템적 오차를 줄이기 위해.
• 저에너지에서의 CP 위반 상호작용 매개변수에 대한 더 강력한 제약 조건을 설정함으로써, QCD 축정입자 기여와 핵자-핵자 CP 위반 상호작용 이론 모델을 시험하기 위해.
• 향후 고정밀 EDM 실험을 위한 SQUID 검출 기술을 스피인-교환 광학 펌프 및 공공진계측 기법과 결합하여 검증하고 개선하기 위해.

제안 방법

• $^{129}$Xe와 $^3$He는 스피인-교환 광학 펌프(SEOP)를 통해 극화되고, 자기 차폐 실(BMSR-2) 내부의 측정 셀로 이동된다.
• 적용된 전기장과 자기장 조건 하에서 핵 스핀의 자유 프리세션을 SQUID 자기계측기로 검출한다.
• 해밀토니안 $H = - (\mu \vec{F} \cdot \vec{B} + d \vec{F} \cdot \vec{E}) / F$ 를 사용하여 라르마르 프리세션 주파수의 이완을 분석하고, 이는 $\omega_d = \pm d |E| / (\hbar F)$ 와 같은 이완을 유도한다.
• 전기장 구형, 압력, 자기장 방향을 변화시킨 여러 시행을 통해 $\vec{E} \times \vec{v}$ 기하학적 위상, 필드 기울기, $|\vec{E}|^2$ 이완 등의 시스템적 영향을 철저히 모델링하고 제약 조건을 설정한다.
• 독립적 분석과 향상된 극화 프로토콜(최적화된 $^{129}$Xe/$^3$He 극화 비율 및 $\pi/2$ 플립 타이밍 포함)을 사용하여 공공진계터 드리프트를 보정한다.
• 통계적 오차와 시스템적 오차를 가중 평균을 통해 통합하였으며, 최종 결과는 2017년과 2018년 두 측정 캠프에서 유도되었다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 SQUID 기반 검출과 $^3$He 공공진계측을 사용한 $^{129}$Xe의 영구 전기 dipole moment에 대한 현재 최고의 실험 한계는 무엇인가요?
• RQ2 희귀 기체 시스템에서 EDM 측정에 영향을 주는 시스템적 요인들, 예를 들어 $\vec{E} \times \vec{v}$ 기하학적 위상과 $|\vec{E}|^2$ 이완은 어떤가요?
• RQ3 최적화된 극화, SQUID 노이즈 감소, 연장된 측정 시간을 통해 $^{129}$Xe EDM 측정의 감도는 어느 정도 향상될 수 있나요?
• RQ4 새로운 결과는 $\bar{g}_{\pi}^{0,1}$, $\bar{\theta}$, QCD 축정입자 기여 $C_T$와 같은 저에너지 CP 위반 매개변수에 대해 어떻게 제약 조건을 강화합니까?
• RQ5 $^{129}$Xe는 향후 중성자 EDM 실험에서 실현 가능한 공공진계터가 될 수 있으며, 다른 시스템과 비교해 감도는 어떻게 되나요?

주요 결과

• 2017년과 2018년 캠프의 통합 결과는 $d_A(^{129}\text{Xe}) = (1.4 \pm 6.6_{\text{stat}} \pm 2.0_{\text{syst}}) \times 10^{-28}~e\text{cm}$이며, 이는 95% 신뢰수준에서 $|d_A(^{129}\text{Xe})| < 1.4 \times 10^{-27}~e\text{cm}$의 상한선을 의미한다.
• 이 결과는 2001년 Rosenberry와 Chupp가 설정한 이전 한계인 $6.6 \times 10^{-27}~e\text{cm}$보다 감도가 다섯 배 향상된 것이다.
• 통계적 오차는 $6.6 \times 10^{-28}~e\text{cm}$로 감소하였으며, 시스템적 오차는 $2.0 \times 10^{-28}~e\text{cm}$로 추정되었다.
• 충돌 시간이 프리세션 주기보다 짧기 때문에 $\vec{E} \times \vec{v}$ 기하학적 위상 효과가 억제됨을 확인하여 측정 모델의 타당성을 검증하였다.
• EDM과 $T_2^*$ 및 공공진계터 드리프트 속도 등의 매개변수 간 상관관계를 조사하고 보정함으로써 결과의 강건성을 향상시켰다.
• 저에너지 CP 위반 매개변수 $\bar{g}_{\pi}^{0,1}$ 과 $\bar{\theta}$ 에 대한 제약 조건은 각각 두 배와 다섯 배로 감소하였으며, QCD 축정입자 기여에 대한 경계는 이전 연구 대비 약 다섯 배로 강화되었다.