[论文解读] 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 5

一句话总结

本文提出了一种通过慢速、单能的μ子偶素束流照射精密三光栅原子干涉仪，直接测量反物质引力加速度的方法。该实验预计在瑞士保罗谢勒研究所（PSI）数月的束流时间内，将μ子偶素的引力偏转测量精度达到10%，有望实现对轻子及第二代物质引力作用的首次直接检验，甚至可能是首次直接测量反物质引力加速度的实验。

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.

研究动机与目标

• 直接测量反物质的引力加速度，特别是μ子偶素，此目标尚未在实验中实现。
• 检验反物质是否以与物质相同的速率下落，以探测等效原理的破坏及潜在的新物理现象。
• 提供对第二代物质和轻子反物质引力效应的首次直接测量。
• 通过一种新颖且可行的方法，补充当前正在进行的反氢和正电子素引力实验。
• 开发一种可实现皮米级对准与校准的高精度干涉仪，用于原子尺度的引力测量。

提出的方法

• 在保罗谢勒研究所（PSI）利用表面μ子产生低速、水平方向的μ子偶素束流。
• 将μ子偶素束流引导通过在氮化硅或超纳米晶金刚石（UNCD）上制造的精密三光栅原子干涉仪。
• 使用压电促动器垂直移动第三块光栅，并测量作为位移函数的干涉条纹。
• 利用同步辐射或台式光源产生的软X射线，对干涉仪的绝对相位进行校准，并实时追踪相位漂移。
• 采用时间分辨干涉测量（TFG）监测短期稳定性，并与X射线相位测量结果交叉验证。
• 应用有限元分析（FEA）建模光栅稳定性，并通过采用加强肋和弯曲铰链结构优化设计，以提升机械鲁棒性。

实验结果

研究问题

• RQ1 能否通过原子干涉仪直接测量μ子偶素（一种正μ子与电子的束缚态）的引力加速度？
• RQ2 反物质，特别是μ子偶素，是否经历与物质相同的引力加速度，如广义相对论所预测？
• RQ3 精密三光栅干涉仪能否实现所需的皮米级稳定性和对准精度，以测量μ子偶素中的引力相移？
• RQ4 使用软X射线进行实时相位校准是否能有效维持干涉仪的长期稳定性？
• RQ5 能否以足够强度和低速度产生所需的μ子偶素束流，从而在可行的束流时间内获得可测量的信号？

主要发现

• 在PSI使用约100 nm光栅周期和数月束流时间，可实现对μ子偶素引力加速度（$\bar{g}$）10%的测量精度。
• 通过增加束流照射时间、提高束流强度或提升探测效率，实现$\bar{g}$ 1%或更优的测量精度是可行的。
• 采用氮化硅或超纳米晶金刚石（UNCD）膜、刻蚀出50 nm宽狭缝的干涉仪设计，可通过电子束光刻和反应离子束蚀刻（RIE）技术实现。
• 原型光栅的制造已在阿贡国家实验室的纳米尺度材料中心（CNM）获批，测试曝光已证明其可行性。
• 时间分辨干涉测量（TFG）与X射线相位监测相结合，可实现实时系统漂移追踪，确保长期稳定性。
• 采用弯曲铰链和加强肋结构的光栅设计，预计可在热载荷和振动载荷下保持机械稳定性。