[论文解读] New Limit on the Permanent Electric Dipole Moment of $^{129}$Xe using $^{3}$He Comagnetometry and SQUID Detection

Natasha Sachdeva, I. Fan+21 more|arXiv (Cornell University)|Sep 26, 2019

Atomic and Subatomic Physics Research被引用 5

一句话总结

本论文通过在磁屏蔽环境中使用³He共磁力计和SQUID探测，实现了对¹²⁹Xe永久电偶极矩（EDM）的新测量。实验在95%置信水平下达到灵敏度 |d_A(¹²⁹Xe)| < 1.4 × 10⁻²⁷ e·cm，相比先前极限提高了五倍，并对标准模型之外的CP破坏相互作用提供了更严格的约束。

ABSTRACT

We report results of a new technique to measure the electric dipole moment of $^{129}$Xe with $^3$He comagnetometry. Both species are polarized using spin-exchange optical pumping, transferred to a measurement cell, and transported into a magnetically shielded room, where SQUID magnetometers detect free precession in applied electric and magnetic fields. The result from a one week measurement campaign in 2017 and a 2.5 week campaign in 2018, combined with detailed study of systematic effects, is $d_A(^{129}\mathrm{Xe}) = (1.4 \pm 6.6_\mathrm{stat} \pm 2.0_\mathrm{syst}) imes10^{-28}~e\,\mathrm{cm}$. This corresponds to an upper limit of $|d_A(^{129}\mathrm{Xe})| &lt; 1.4 imes 10^{-27} ~e\,\mathrm{cm}~(95\%~\mathrm{CL})$, a factor of five more sensitive than the limit set in 2001.

研究动机与目标

• 提高对¹²⁹Xe永久电偶极矩（EDM）实验灵敏度，作为探索标准模型之外新物理的关键探针。
• 通过在磁屏蔽环境中使用³He共磁力计和SQUID探测，减少EDM测量中的系统误差。
• 通过更严格约束低能CP破坏参数，测试包括QCD轴子贡献和核子-核子CP破坏相互作用在内的理论模型。
• 验证并优化SQUID探测与自旋交换光学泵浦及共磁力计技术结合的方法，为未来高精度EDM实验提供支持。

提出的方法

• 通过自旋交换光学泵浦（SEOP）对¹²⁹Xe和³He进行极化，并将其转移至磁屏蔽室（BMSR-2）内的测量腔室中。
• 在施加电场和磁场的条件下，利用SQUID磁力计探测核自旋的自由进动。
• 通过施加电场下拉比分裂频率的偏移，从哈密顿量 $ H = - (\mu \vec{F} \cdot \vec{B} + d \vec{F} \cdot \vec{E}) / F $ 中提取EDM，该哈密顿量导致频率偏移 $ \omega_d = \pm d |E| / (\hbar F) $。
• 通过多次运行，改变电场配置、腔室压力和磁场方向，对 $ \vec{E} \times \vec{v} $ 几何相位、磁场梯度以及 $ |\vec{E}|^2 $ 偏移等系统效应进行精确建模与约束。
• 通过独立分析和改进的极化协议（包括优化的¹²⁹Xe/³He极化比和π/2翻转时间）校正共磁力计漂移。
• 采用加权平均法合并统计误差与系统误差，最终结果基于2017年和2018年两次测量实验获得。

实验结果

研究问题

• RQ1 利用基于SQUID探测和³He共磁力计的实验，当前对¹²⁹Xe永久电偶极矩的实验极限是多少？
• RQ2 在稀有气体系统中，$ \vec{E} \times \vec{v} $ 几何相位和 $ |\vec{E}|^2 $ 偏移等系统效应如何影响EDM测量？
• RQ3 通过优化极化、降低SQUID噪声和延长测量时间，¹²⁹Xe EDM测量的灵敏度可提升至何种程度？
• RQ4 新结果对低能CP破坏参数 $ \bar{g}_{\pi}^{0,1} $、$ \bar{\theta} $ 和QCD轴子耦合 $ C_T $ 的约束程度如何？
• RQ5 ¹²⁹Xe能否在未来中子EDM实验中作为可行的共磁力计？其灵敏度与其他系统相比如何？

主要发现

• 2017年和2018年两次实验的联合结果为 $ d_A(^{129}\text{Xe}) = (1.4 \pm 6.6_{\text{stat}} \pm 2.0_{\text{syst}}) \times 10^{-28}~e\text{cm} $，对应于95%置信水平下上限 $ |d_A(^{129}\text{Xe})| < 1.4 \times 10^{-27}~e\text{cm} $。
• 相比2001年Rosenberry和Chupp给出的 $ 6.6 \times 10^{-27}~e\text{cm} $ 旧极限，灵敏度提高了五倍。
• 统计误差降低至 $ 6.6 \times 10^{-28}~e\text{cm} $，系统误差估计为 $ 2.0 \times 10^{-28}~e\text{cm} $。
• 研究证实，由于碰撞时间远短于进动周期，$ \vec{E} \times \vec{v} $ 几何相位效应被有效抑制，验证了测量模型的可靠性。
• 对EDM与 $ T_2^* $ 及共磁力计漂移率等参数之间的相关性进行了研究并进行了校正，提升了结果的鲁棒性。
• 与先前工作相比，对低能CP破坏参数 $ \bar{g}_{\pi}^{0,1} $ 和 $ \bar{\theta} $ 的约束分别减少了两倍和五倍，对QCD轴子贡献的限制也收紧了约五倍。