[论文解读] 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 13

一句话总结

本文通过精密的厄缶实验和标量-矢量力抵消分析，对物质与反物质自由落体加速度的差异设定了严格的实验约束，表明任何此类不对称性必须小于 $10^{-7}$。研究证明，即使在标量-矢量力在物质-物质相互作用中完全抵消的理论中，速度依赖效应和量子修正仍不可避免地破坏抵消，导致反物质的下落行为仅在低于 $10^{-7}$ 的水平上出现差异。

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.

研究动机与目标

• 评估现有实验对物质与反物质之间引力加速度差异的约束。
• 评估长程标量与矢量力是否可能在物质-物质实验中逃避免疫检测，同时在物质-反物质系统中产生可测量的不对称性。
• 确定复合粒子（如原子）中标量与矢量相互作用抵消精度的根本极限。
• 即使在理论尝试微调力抵消的情况下，仍建立对 $|g_{\text{H}} - g_{\overline{\text{H}}}|/g_{\text{H}}$ 的稳健约束。

提出的方法

• 利用精密厄缶实验（如月球激光测距、Eöt-Wash）约束厄缶参数 $\eta$，该参数衡量测试物体之间的差异加速度。
• 分析真空极化与核子中反夸克组分的作用，评估其对惯性质量及等效原理破坏的影响。
• 研究标量-矢量力模型，其中物质-物质相互作用中的抵消可能允许反物质以不同方式下落，但检验这种抵消是否可能完全精确。
• 评估标量与矢量力的速度依赖性，表明原子中相对运动通过相对论动力学中的 $u_1 \cdot u_2$ 因子破坏抵消。
• 应用双星脉冲星辐射阻尼的约束，限制长程力的强度，即使这些力在物质中已抵消。
• 使用费米气体模型计算原子核中平均核子与电子动能，推导标量-矢量电荷追踪精度的约束。

实验结果

研究问题

• RQ1 目前对物质与反物质自由落体加速度差异存在哪些实验约束？
• RQ2 长程标量与矢量力是否可能在物质-物质相互作用中抵消，同时在物质-反物质系统中产生可探测的不对称性？
• RQ3 标量与矢量电荷在原子等复合粒子中能多大程度实现抵消？
• RQ4 相对论效应及组分内部运动（如核子、电子）如何破坏标量与矢量力的抵消？
• RQ5 双星脉冲星数据对可能引起反物质引力不对称性的假设长程力强度施加了何种限制？

主要发现

• 现有的厄缶实验将物质与反物质自由落体加速度的任何不对称性约束在 $10^{-7}$ 以下，最严格的约束来自原子组分中的速度依赖效应。
• 即使在标量与矢量力在物质-物质相互作用中完全抵消的理论中，这些力的速度依赖性仍会在 $\sim 10^{-7}$ 水平上引入非抵消效应，这是由于不同元素中核子与电子的平均速度不同所致。
• 由于量子效应和内部动能能量的影响，原子系统中标量电荷对矢量电荷的追踪精度受到限制，使得超过 $\sim 10^{-7}$ 的完全抵消不可能实现。
• 双星脉冲星系统的辐射阻尼将长程标量-矢量力限制为远弱于引力，从而限制其诱导反物质引力不对称性的潜力。
• 引入场强平方耦合项并不会削弱 $10^{-7}$ 的约束，因为此类项无法足够精确地追踪不同元素间动能变化。
• 约束 $|g_{\text{H}} - g_{\overline{\text{H}}}|/g_{\text{H}} \lesssim 10^{-7}$ 是稳健的，无法通过进一步微调标量或矢量耦合来规避。