[논문 리뷰] Search for exotic spin-dependent interactions with a spin-based amplifier

Haowen Su, Yuanhong Wang외 6명|arXiv (Cornell University)|2021. 03. 29.

Atomic and Subatomic Physics Research참고 문헌 59인용 수 74

한 줄 요약

이 논문은 빛 보손이 매개하는 초현실적 스핀 및 속도에 의존하는 상호작용을 탐지하기 위해 초극성 129Xe와 87Rb 스핀을 사용하는 스핀 기반 증폭기를 제시한다. 공진 결합과 약 600의 페르미-접촉 강화 요인을 활용하여, 이론적 가상 자기장은 100배 이상 증폭되며, 0.03–100 m 범위에서 극화된 핵과 비극화된 핵 사이의 상호작용에 대해 새로운 제약 조건을 설정한다. 이는 이전의 제약 조건보다 최소 두 개의 지수 단위 이상 향상된 것이다.

ABSTRACT

Development of new techniques to search for particles beyond the standard model is crucial for understanding the ultraviolet completion of particle physics. Several hypothetical particles are predicted to mediate exotic spin-dependent interactions between particles of the standard model that may be accessible to laboratory experiments. However, laboratory searches are mostly conducted for static spin-dependent interactions, with only a few experiments so far addressing spin- and velocity-dependent interactions. Here, we demonstrate a search for exotic spin- and velocity-dependent interactions with a spin-based amplifier. Our technique makes use of hyperpolarized nuclear spins as a pre-amplifier to enhance the effect of pseudo-magnetic field produced by exotic interactions by an amplification factor of > 100. Using such a spin-based amplifier, we establish constraints on the spin- and velocity-dependent interactions between polarized and unpolarized nucleons in the force range of 0.03-100 m. Our limits represent at least two orders of magnitude improvement compared to previous experiments. The established technique can be further extended to investigate other exotic spin-dependent interactions.

연구 동기 및 목표

• 표준모형을 초월한 초현실적 스핀 및 속도에 의존하는 상호작용을 탐지하기 위한 새로운 실험 기법을 개발하는 것.
• 이전의 탐색이 주로 정적 스핀에 의존하는 상호작용에 집중한 데서 비롯되는 제약 조건을 극복하는 것.
• 공진 스핀 증폭 메커니즘을 통해 장거리, 경량 보손이 매개하는 상호작용에 대한 민감도를 향상시키는 것.
• V4+5 및 V12+13 상호작용에 대한 결합 상수 제약 조건을 최소 두 개의 지수 단위 이상 향상시키는 것.

제안 방법

• 공간적으로 겹치는 초극성 87Rb와 129Xe를 포함하는 기체 셀을 사용하여, 초현실적 가상 자기장으로부터 유도되는 신호를 증폭하는 스핀 기반 증폭기를 활용한다.
• 비극화된 BGO 결정의 회전 주파수와 129Xe 스핀의 라르우르 주파수 사이의 공진 결합을 활용하여 약한 상호작용을 증폭한다.
• 87Rb 스핀 진동의 광학적 탐측을 통한 원자 자기계측을 활용하여, 초현실적 상호작용에 의해 유도된 129Xe의 횡방향 자기화를 읽어낸다.
• 스핀 교환 리라크세이션과 외부 및 초현실적 자기장 하에서의 진동을 포함한 스핀 동역학을 모델링하기 위해 결합된 블로흐 방정식을 사용한다.
• 가장 주요한 조화 성분을 분리하기 위해 주파수 ν ≈ 4.997 Hz에서 락인 검출을 적용한다.
• 窄대역 증폭 및 자기 차폐를 통해 고조파 및 배경 신호를 제거한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 스핀 기반 증폭기는 초현실적 스핀 및 속도에 의존하는 상호작용의 탐지 민감도를 향상시킬 수 있는가?
• RQ2 공진 구조에서 초극성 핵 스핀을 사용할 경우 도달 가능한 최대 증폭 계수는 얼마인가?
• RQ3 회전하는 BGO와 알루미늄 막대에서 유도된 가상 자기장의 스펙트럼 구성과 조화 성분 구조는 어떻게 다른가?
• RQ4 이 기술을 통해 기존의 f4+5 및 f12+13 결합 상수 제약 조건을 어느 정도 향상시킬 수 있는가?
• RQ5 이 방법은 BGO 결정의 신호와 알루미늄 막대에서 기인하는 배경 기여를 구별할 수 있는가?

주요 결과

• 스핀 기반 증폭기는 초현실적 상호작용에 의해 유도된 가상 자기장에 대해 100배 이상의 증폭 계수를 달성하였다.
• 실험은 0.03 m에서 100 m 사이의 힘 범위에서 차원이 없는 결합 상수 f4+5 < 10−18에 대한 새로운 제약 조건을 설정하였다.
• V12+13 상호작용의 경우, 동일한 범위에서 f12+13 < 10−33로 제약 조건이 향상되었으며, 최소 두 개의 지수 단위 이상 향상된 것으로 나타났다.
• 수치 시뮬레이션은 주파수 ν에서의 주요 신호 성분이 BGO 결정에서 기인한 것으로 확인되었으며, 알루미늄 막대는 오직 2ν, 4ν 등 짝수 조화 성분을 생성함을 확인하였다.
• 스핀 기반 증폭기의 좁은 대역폭은 2ν 주파수에서의 신호를 효과적으로 억제하여 BGO 결정의 ν 주파수 성분을 청결하게 탐지할 수 있었다.
• 이 기술은 높은 민감도로 속도 및 스핀에 의존하는 상호작용을 탐지하는 데의 실현 가능성을 입증하였으며, 향후 편미러 위반 상호작용 탐색에 기여할 수 있다.