[論文レビュー] Experimental constraints on the free fall acceleration of antimatter

Daniele S. M. Alves, Martin Jankowiak+1 more|ArXiv.org|Jul 23, 2009

Sports Dynamics and Biomechanics参考文献 16被引用数 13

ひとこと要約

この論文は、精度の高いエートヴォッシュ実験とスカラー・ベクトル力のキャンセレーション解析を用いて、物質と反物質の自由落下加速度の差に厳しい実験的制約を課し、その差が $10^{-7}$ 未満でなければならないことを示している。理論的に長距離力が物質-物質相互作用でキャンセルされる場合でも、速度に依存する効果や量子補正が必然的にキャンセレーションを破り、反物質の落下が $10^{-7}$ 未満のレベルでのみ異なることになることが示されている。

ABSTRACT

In light of recent experimental proposals to measure the free fall acceleration of antihydrogen in the earth's gravitational field, we investigate the bounds that existing experiments place on any asymmetry between the free fall of matter and antimatter. We conclude that existing experiments constrain any such asymmetry to be less than about 10^-7. First we consider contributions to the inertial masses of atoms that encode the presence of antimatter and use precision Eotvos experiments to establish the level at which they satisfy the equivalence principle. In particular we focus on vacuum polarization effects and the antiquark content of nucleons. Second we consider a class of theories that contain long range scalar and vector forces that cancel with one another to some high precision. By construction such theories would be able to evade detection in Eotvos experiments that utilize matter while still allowing for a signal in antimatter experiments. Even taking such cancellation for granted, however, we show that the radiative damping of binary pulsar systems constrains these forces to be significantly weaker than gravity. Furthermore we show that there are limits to the accuracy with which such cancellation can be arranged: first by determining the precision to which scalar charges can track vector charges in the best candidate theories; and, second, by showing that the different velocity dependence of scalar and vector forces necessarily introduces non-cancellation at a quantifiable level.

研究の動機と目的

• 物質と反物質の間の重力的加速度の差に関する既存の実験的制約を評価すること。
• 長距離スカラーおよびベクトル力が物質-物質実験では検出されにくく、一方で物質-反物質系では測定可能な非対称性を生じる可能性があるかどうかを評価すること。
• 原子のような複合粒子におけるスカラーおよびベクトル相互作用のキャンセレーション精度の根本的限界を特定すること。
• 理論的アプローチによる力のキャンセレーションの微調整を試みても、$|g_{\text{H}} - g_{\overline{\text{H}}}|/g_{\text{H}}$ に及ぼす影響を強固に制限すること。

提案手法

• テスト物体間の差加速度を測定する精度の高いエートヴォッシュ実験（例：月面レーザー測距、Eöt-Wash）を用いて、エートヴォッシュパラメータ $\eta$ を制約する。このパラメータは、試料物体間の差加速度を測る。
• 真空極化および核子内の反クォークの含有率が慣性質量および等価原理の破れに与える影響を評価する。
• 物質-物質相互作用でキャンセルが起こるスカラー・ベクトル力モデルを検討し、反物質が異なる加速度で落下する可能性があるかどうかを検証するが、そのキャンセルが正確に実現可能かどうかを検証する。
• スカラーおよびベクトル力の速度依存性を評価し、相対論的力学における $u_1 \cdot u_2$ 要因によって、原子内の相対運動がキャンセレーションを破ることを示す。
• 二重パルサー系の放射減衰を用いて、物質でキャンセルされるとしても、長距離力の強さを制限する。
• フェルミ気体モデルを用いて、原子核内の平均核子および電子の運動エネルギーを計算し、スカラー・ベクトル電荷の追跡精度に制限を設ける。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 物質と反物質の自由落下加速度の差に関する実験的制限は何か？
• RQ2 長距離スカラーおよびベクトル力が物質-物質相互作用でキャンセルされるが、物質-反物質系では検出可能な非対称性を生じる可能性はあるか？
• RQ3 原子のような複合粒子において、スカラーおよびベクトル電荷がどれほど正確にキャンセル可能か？
• RQ4 相対論的効果および構成粒子（例：核子、電子）の内部運動が、スカラーおよびベクトル力のキャンセレーションをどの程度破るか？
• RQ5 二重パルサーのデータは、反物質の落下に差を生じる可能性のある仮想の長距離力の強さにどのような制限を課えるか？

主な発見

• 既存のエートヴォッシュ実験により、物質と反物質の自由落下加速度の差が $10^{-7}$ 未満に制限されている。最も厳しい制限は、原子の構成粒子における速度依存性に起因する。
• スカラーおよびベクトル力が物質-物質相互作用でキャンセルされる理論的状況でも、これらの力の速度依存性により、$\sim 10^{-7}$ のレベルで非キャンセルが生じる。これは、異なる元素における核子と電子の平均速度の違いに起因する。
• 原子系におけるスカラー電荷がベクトル電荷をどれほど正確に追跡できるかは、量子効果および内部運動エネルギーに制限され、$\sim 10^{-7}$ を超えて完全なキャンセルは不可能である。
• 二重パルサー系における放射減衰の制約により、長距離スカラー・ベクトル力は重力より著しく弱くなければならない。これは、反物質の重力的非対称性を引き起こす可能性を制限する。
• 場強度二乗項の結合が $10^{-7}$ の制限を弱めるわけではない。なぜなら、このような項は元素間の運動エネルギーの変化を十分に精度よく追跡できないからである。
• $|g_{\text{H}} - g_{\overline{\text{H}}}|/g_{\text{H}} \lesssim 10^{-7}$ の制限は頑健であり、スカラーまたはベクトル結合のさらなる微調整によっても回避できない。