[논문 리뷰] Preferred-Frame and CP-Violation Tests with Polarized Electrons

B. R. Heckel, Adelberger, E. G.외 4명|arXiv (Cornell University)|2008. 08. 20.

Electron and X-Ray Spectroscopy Techniques인용 수 6

한 줄 요약

이 논문은 약 10²³개의 극화된 전자를 포함한 비틀림 진자로 스핀에 의해 매개되는 CP 위반 및 선호 프레임 상호작용을 시험한다. 지구의 자전과 우주 마이크로파 배경(UMB)에 대한 운동을 측정함으로써, 스핀에 의존하는 힘에 대해 지금까지 가장 민감한 한계를 설정하였으며, $|g_{\rm P}^{e}g_{\rm S}^{N}|/(π c) < 9.4 \times 10^{-37}$ 및 $|\bm{A}| \leq 4.4 \times 10^{-21}$ eV와 같은 매개변수를 제약하고, 비가환 기하학을 이전에 없었던 척도에서 탐색한다.

ABSTRACT

We used a torsion pendulum containing $\approx 10^{23}$ polarized electrons to search new interactions that couple to electron spin. We limit CP-violating interactions between the pendulum's electrons and unpolarized matter in the earth or the sun, test for rotation and boost-dependent preferred-frame effects using the earth's rotation and velocity with respect to the entire cosmos, and search for exotic velocity-dependent potentials between polarized electrons and unpolarized matter in the sun and moon. Finally, we find that the gravitational mass of an electron spinning toward the galactic center differs by less than about 1 part in $10^{21}$ from an electron spinning in the opposite direction. As a byproduct of this work, the density of polarized electrons in Sm$ $Co$_5$ was measured to be $(4.19\pm 0.19) imes 10^{22} { m cm}^{-3}$ at a field of 9.6 kG.

연구 동기 및 목표

• 지구와 태양 내 극화된 전자와 비극화된 물질 사이의 CP 위반 상호작용을 시험하기 위해.
• 지구가 우주 마이크로파 배경(CMB) 정지 프레임에 대해 운동하는 것과 연관된 선호 프레임 효과를 탐색하기 위해.
• 속도에 의존하는 스핀 상호작용과 텐서 유형의 선호 프레임 효과를 제약하기 위해.
• 스핀 결합 상호작용을 통해 비가환 기하학과 표준모형의 확장 가능성을 탐색하기 위해.
• 스핀하는 전자의 중력 질량이 은하 중심에 대한 방향에 따라 어떻게 달라지는지 측정하기 위해.

제안 방법

• 스핀에 의존하는 힘을 감지하기 위해 약 10²³개의 극화된 전자를 포함한 비틀림 진자를 사용하였다.
• 지구의 자전과 우주를 이동하는 동안의 기구의 방향을 모니터링하여 자전 및 속도에 의존하는 효과를 감지하였다.
• 기계적 노이즈를 줄이기 위해 열 제어된 발을 사용하는 디지털 피드백 시스템을 도입하여 기울기를 안정화시켰다.
• 지구의 자전과 CMB 정지 프레임에 대한 속도에 따라 측정을 동기화하여 선호 프레임 신호를 분리하였다.
• 기울기 신호의 푸리에 분석을 통해 베어링의 불완전성과 진짜 자전 효과를 분리할 수 있었다.
• 1 μrad/√Hz의 정밀도를 가진 공전하는 기울기 측정기(AGI 센서)를 사용하여 미세한 각도 변화를 감지하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 지구나 태양 내 극화된 전자와 비극화된 물질 사이에 CP 위반 상호작용이 존재하는가?
• RQ2 스핀이 정렬되는 공간의 선호 방향이 존재하는가, 즉 회전 대칭성 위반이 있는가?
• RQ3 CMB 정지 프레임에 대한 운동에 의해 속도에 의존하는 스핀 상호작용이 발생하는가?
• RQ4 macroscopic 척도에서 스핀에 의존하는 힘을 관측함으로써 비가환 기하학을 제약할 수 있는가?
• RQ5 스핀하는 전자의 중력 질량은 은하 중심에 대한 방향에 따라 어떻게 달라지는가?

주요 결과

• CP 위반 매개변수 $|g_{\rm P}^{e}g_{\rm S}^{N}|/(π c)$ 는 $\lambda > 1$ AU일 경우 $9.4 \times 10^{-37}$ 이하로 제약되었다.
• CP 위반 매개변수 $|g_{\rm A}^{e}g_{\rm V}^{N}|/(π c)$ 는 $\lambda > 1$ AU일 경우 $1.2 \times 10^{-56}$ 이하로 제약되었다.
• 벡터 선호 프레임 포텐셜 $\bm{A}$ 는 $|\bm{A}_{X,Y}| \leq 1.5 \times 10^{-22}$ eV 및 $|\bm{A}_{Z}| \leq 4.4 \times 10^{-21}$ eV로 제약되었다.
• 보스트에 의존하는 상호작용 매개변수 $|B|$ 는 $1.2 \times 10^{-19}$ eV 이하로 제약되었다.
• 텐서 상호작용 $\bm{C}$ 의 아홉 개 성분 모두 $10^{-17}$에서 $10^{-18}$ eV 수준에서 제약되었다.
• 은하 중심을 향해 그리고 멀어지게 스핀하는 전자 간의 중력 질량 차이는 $10^{21}$ 분의 1 이하였다.