[논문 리뷰] Search for an exotic parity-odd spin- and velocity-dependent interaction using a magnetic force microscope

Xiaofang Ren, Jianbo Wang외 5명|arXiv (Cornell University)|2021. 07. 23.

Atomic and Subatomic Physics Research참고 문헌 71인용 수 15

한 줄 요약

이 연구는 마이크로미터 스케일에서 전자와 균일하지 않은 스핀을 가진 중성자와의 파리티가 짝수인, 스핀과 속도에 의존하는 상호작용을 탐색하기 위해 스핀-극성화된 톱으로 된 자기력 현미경을 사용한다. 주기적인 금/실리카 이온 산화물 핵자원 위를 톱을 스캔한 결과, 이국적인 신호는 관측되지 않았으며, 이는 15 µm에서 180 µm 사이의 상호작용 범위에 대해 $ g^A_e g^V_N \leq 9 \times 10^{-15} $의 새로운 한계를 설정한다.

ABSTRACT

Exotic spin-dependent interactions may be generated by exchanging hypothetical bosons that have been proposed to solve some mysteries in physics by theories beyond the standard model of particle physics. The search for such interactions can be conducted by tabletop scale experiments using high precision measurement techniques. Here we report an experiment to explore the parity-odd interaction between moving polarized electrons and unpolarized nucleons using a magnetic force microscope. The polarized electrons are provided by the magnetic tip at the end of a silicon cantilever, and their polarizations are approximately magnetized in the plane of the magnetic coating on the tip. A periodic structure with alternative gold and silicon dioxide stripes provides unpolarized nucleons with periodic number density modulation. The exotic forces are expected to change the oscillation amplitude of the cantilever which is measured by a fiber laser interferometer. Data has been taken by scanning the tip over the nucleon source structure at constant separation, and no exotic signal related to the density modulation has been observed. Thus, the experiment sets a limit on the electron-nucleon coupling constant, $g_A^eg_V^N\leq 9 imes 10^{-15}$ for 15 $\mu$m $\le \lambda \le$ 180 $\mu$m, using a direct force measurement method.

연구 동기 및 목표

• 마이크로미터 거리에서 전자와 핵자 간의 파리티가 짝수인, 스핀과 속도에 의존하는 상호작용을 검증하기 위해.
• 직접 힘 측정을 통해 표준모형을 초월한 가설적 새로운 물리학을 탐색하기 위해.
• 경량 보존자 교환 모델에 대한 전자-핵자 결합 상수에 대한 제약 조건을 향상시키기 위해.
• 고정밀 힘 측정 기능을 갖춘 테이블탑 실험을 통해 약한 이국적 상호작용을 탐지하기 위해.

제안 방법

• CoCr 코팅된 스핀-극성화된 톱을 갖춘 자기력 현미경이 마이크로미터 규모의 거리에서 힘을 측정한다.
• 민감도를 최대화하기 위해 톱을 공진 상태로 구동한다.
• 주기적인 금/SiO2 패턴이 핵자 밀도의 공간적 변동을 제공하여 신호의 식별도 향상시킨다.
• 레이저 간섭계를 통해 캔틸리버의 진폭 변화를 측정하여 힘의 변화를 감지한다.
• 스핀에 의존하는 힘을 전기적 및 카시미르 배경 효과에서 분리하기 위해 시스템을 校정한다.
• 이론적 모델링은 $ \lambda $ 를 상호작용 범위로 하는 $ V = \frac{g^A_e g^V_N \hbar}{4\pi} \hat{\sigma} \cdot \mathbf{v} \frac{e^{-r/\lambda}}{r} $ 를 사용한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 마이크로미터 스케일에서 자기력 현미경이 파리티가 짝수인, 스핀과 속도에 의존하는 상호작용을 탐지할 수 있는가?
• RQ2 이 상호작용 모델에서 전자-핵자 결합 상수의 감도 한계는 무엇인가?
• RQ3 핵자 밀도의 공간적 변동이 힘 측정에서 신호 탐지에 어떻게 기여하는가?
• RQ4 직접 힘 측정이 이전의 간접적 또는 공명 기반의 한계를 뛰어넘을 수 있는가?
• RQ5 15 µm에서 180 µm 사이의 상호작용 범위에 대해 결합 상수 $ g^A_e g^V_N $ 에 대한 제약 조건은 무엇인가?

주요 결과

• 스캔 중 핵자 밀도 변동과 관련된 이국적 신호는 관측되지 않았다.
• 실험은 15 µm에서 180 µm 사이의 상호작용 범위에 대해 $ g^A_e g^V_N \leq 9 \times 10^{-15} $ 의 새로운 상한을 설정하였다.
• 이 한계는 직접 힘 측정을 통해 유도되었으며, 이전의 간접적 방법보다 향상되었다.
• 이 결과는 유사 범위에서 원자 자장계수계 및 중성자 스핀 붕괴 실험과 경쟁 가능한 성능을 보였다.
• 유한요소 모델링과 캔틸리버 특성의 校정을 통해 측정 민감도가 검증되었다.
• 이 방법은 향후 나노스케일 힘 센서를 활용한 탐색에 실현 가능성을 보여주었다.