[論文レビュー] Preferred-Frame and CP-Violation Tests with Polarized Electrons

B. R. Heckel, Adelberger, E. G.+4 more|arXiv (Cornell University)|Aug 20, 2008

Electron and X-Ray Spectroscopy Techniques被引用数 6

ひとこと要約

この論文では、~10²³個のスピン極化電子を有するねじり振子を用いて、スピンによって媒介されるCP対称性の破れおよびフレームに依存する相互作用を検証した。地球の自転および宇宙背景放射（CMB）に対する運動を測定することで、スピン依存力に対するこれまでで最も感受性の高い限界を設定し、$|g_{\rm P}^{e}g_{\rm S}^{N}|/(π c) < 9.4 \times 10^{-37}$ および $|\bm{A}| \leq 4.4 \times 10^{-21}$ eV といったパラメータを制約し、未だかつてないスケールで非可換幾何学を探索した。

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.

研究の動機と目的

• 地球および太陽内のスピン極化電子とスピン非極化物質との間のCP対称性の破れ相互作用を検証すること。
• 地球の宇宙背景放射（CMB）静止系に対する運動に起因するフレームに依存する効果を探索すること。
• 速度に依存するスピン相互作用およびテンソル型のフレームに依存する効果を制約すること。
• スピン結合相互作用を介して非可換幾何学および標準模型の拡張を探索すること。
• スピンする電子の重力的質量が銀河中心に対するスピンの向きにどのように依存するかを測定すること。

提案手法

• スピン極化電子約10²³個を有するねじり振子を用いて、スピン依存力の検出を行った。
• 地球の自転と宇宙空間への運動に伴い、振子の向きをモニタリングすることで、回転および速度依存効果の検出を可能にした。
• 熱的に制御された脚を用いたデジタルフィードバックシステムを採用し、機械的ノイズを低減した。
• 地球の自転およびCMB静止系に対する速度に同期した測定により、フレームに依存する信号の分離を実現した。
• 傾き信号のフーリエ解析により、軸受の不具合と真の回転効果を分離した。
• 1 μrad/√Hzの精度を持つ共回転傾き計（AGIセンサ）を用いて、微小な角度変化を検出した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 地球または太陽内のスピン極化電子とスピン非極化物質との間にCP対称性の破れ相互作用が存在するか？
• RQ2 空間に回転不変性の破れを示す、電子スピンを整列させる優先的な方向があるか？
• RQ3 CMB静止系に対する相対運動に起因する速度依存スピン相互作用が生じるか？
• RQ4 マクロスケールでのスピン依存力の観測によって、非可換幾何学を制約できるか？
• RQ5 スピンする電子の重力的質量は、銀河中心に対するスピンの向きにどのように依存するか？

主な発見

• CP対称性の破れパラメータ $|g_{\rm P}^{e}g_{\rm S}^{N}|/(π c)$ は、$\lambda > 1$ AU の条件下で $9.4 \times 10^{-37}$ 未満に制約された。
• CP対称性の破れパラメータ $|g_{\rm A}^{e}g_{\rm V}^{N}|/(π c)$ は、$\lambda > 1$ AU の条件下で $1.2 \times 10^{-56}$ 未満に制約された。
• ベクトル型フレームに依存するポテンシャル $\bm{A}$ は、$|\bm{A}_{X,Y}| \leq 1.5 \times 10^{-22}$ eV および $|\bm{A}_{Z}| \leq 4.4 \times 10^{-21}$ eV に制約された。
• ブースト依存相互作用パラメータ $|B|$ は $1.2 \times 10^{-19}$ eV 未満に束縛された。
• テンソル型相互作用 $\bm{C}$ の9つの成分すべてが、$10^{-17}$ から $10^{-18}$ eV のレベルで制約された。
• 銀河中心に向かっておよび遠ざかってスピンする電子の間の重力的質量差は、$10^{21}$ 分の1未満であった。