[論文レビュー] Antimatter gravity with muonium

Daniel M. Kaplan, Ephraim Fischbach+7 more|arXiv (Cornell University)|Jan 26, 2016

Muon and positron interactions and applications参考文献 15被引用数 5

ひとこと要約

本論文は、パウル・シュレーディンガー研究所（PSI）で数か月間のビーム時間内に10%の精度で反物質の重力加速度を直接測定することを目的とした、ゆっくりとした単エネルギーのミュオンウムビームを用いた原子干渉計を用いた測定手法を提案している。この実験により、レプトンおよび第二世代物質に対する重力の直接的テストが可能となり、反物質の重力加速度の測定もおそらく初めて実現される可能性がある。

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.

研究の動機と目的

• 反物質、特にミュオンウムの重力加速度を、実験的に直接測定すること。
• 反物質が物質と同じ割合で落下するかどうかを検証し、等価原理の破れや新しい物理の可能性を調査すること。
• 第二世代物質およびレプトン的反物質に対する重力の効果を初めて直接測定すること。
• 現在進行中の反水素および陽電子状態の重力実験を補完する、新たな実現可能性のあるアプローチを提供すること。
• 原子スケールの重力測定に適したピコメーター級のアライメントとキャリブレーションが可能な高精度干渉計の開発

提案手法

• パウル・シュレーディンガー研究所（PSI）で表面ミュオンを用いて生成された低速度・水平方向のミュオンウムビームを用いる。
• シリコンナイトライドまたは超ナノ結晶ダイヤモンド（UNCD）で作製された高精度な三グレーティング原子干渉計を経由させる。
• ピエゾエレクトリックアクチュエータを用いて第三グレーティングを垂直方向に変位させ、その変位に応じた干渉縞を測定する。
• シンクロトロンまたはベンチトップソースからのソフトX線を用いて、干渉計の絶対位相をキャリブレートし、リアルタイムでドリフトを追跡する。
• 時間分解干渉計測定（TFG）を用いて短期的安定性をモニタリングし、X線位相測定と相関検証する。
• 有限要素解析（FEA）を用いてグレーティングの安定性をモデル化し、機械的強度を高めるためにボトムストラップおよびフレクチュラルヒンジを最適化する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 陽性ミューオンと電子が結合した束縛状態たるミュオンウムの重力加速度を、原子干渉計を用いて直接測定できるか？
• RQ2 一般相対性理論の予測通り、反物質（特にミュオンウム）は物質と同じ重力加速度を受けるのか？
• RQ3 高精度な三グレーティング干渉計が、ミュオンウムにおける重力位相シフトを測定するために必要なピコメーター級の安定性とアライメントを達成できるか？
• RQ4 ソフトX線を用いたリアルタイム位相キャリブレーションが、長期間にわたる干渉計の安定性を維持するために有効であるか？
• RQ5 十分な強度と低速度を有するミュオンウムビームが、実現可能なビーム時間内に測定可能な信号を得るために生成可能か？

主な発見

• PSIでの数か月間のビーム時間と約100 nmのグレーティングピッチを用いることで、ミュオンウムの重力加速度（$\bar{g}$）の10%の測定が可能である。
• ビーム露出を増やす、ビーム強度を高める、または検出効率を向上させることで、$\bar{g}$の1%以下という高い精度での測定が実現可能である。
• 50 nm幅のスリットを有するシリコンナイトライドまたは超ナノ結晶ダイヤモンド（UNCD）膜を用いた干渉計設計は、電子ビームリソグラフィおよび反応性イオンエッチング（RIE）を用いて実現可能である。
• アーガン国立研究所のナノスケール材料センター（CNM）でプロトタイプグレーティングの製造が承認されており、試験露出の結果から実現可能性がすでに示されている。
• 時間分解干渉計測定（TFG）とX線位相モニタリングの組み合わせにより、システムのドリフトをリアルタイムで追跡でき、長期的な安定性が保証される。
• フレクチュラルヒンジおよび補強構造付きグレーティング構造の使用により、熱的および振動的負荷下でも機械的安定性が維持されることが予想される。