[论文解读] 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 6

一句话总结

该论文利用约10²³个极化电子的扭摆仪，测试由自旋介导的CP破坏性相互作用和偏好参考系效应。通过测量地球相对于宇宙微波背景辐射（CMB）的自转和运动，该研究设定了迄今为止最灵敏的自旋相关力的限制，约束了诸如 $|g_{ m P}^{e}g_{ m S}^{N}|/(π c) < 9.4 \times 10^{-37}$ 和 $|m{A}| \leq 4.4 \times 10^{-21}$ eV 等参数，并以前所未有的尺度探测了非交换几何结构。

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.

研究动机与目标

• 测试地球和太阳中极化电子与非极化物质之间是否存在CP破坏性相互作用。
• 搜索与地球相对于宇宙微波背景（CMB）静止参考系运动相关的偏好参考系效应。
• 约束速度依赖的自旋相互作用与张量型偏好参考系效应。
• 通过自旋耦合相互作用探测非交换几何结构及标准模型的扩展。
• 测量自旋电子在银河系磁场中不同取向下的引力质量差异。

提出的方法

• 使用约10²³个极化电子的扭摆仪检测自旋相关力。
• 监测摆的取向随地球自转和在太空中运动，以探测与旋转和速度相关的效应。
• 仪器采用数字反馈系统，通过热控脚垫稳定倾角，降低机械噪声。
• 测量与地球自转及相对于CMB的运动同步，以分离偏好参考系信号。
• 对倾角信号进行傅里叶分析，以区分轴承缺陷与真实旋转效应。
• 系统使用共转倾角传感器（AGI传感器），精度达1 μrad/√Hz，以探测微小角度变化。

实验结果

研究问题

• RQ1 极化电子与地球或太阳中的非极化物质之间是否存在CP破坏性相互作用？
• RQ2 空间中是否存在一个与电子自旋对齐的偏好方向，表明旋转不变性被破坏？
• RQ3 由于相对于CMB静止参考系的运动，是否会产生速度依赖的自旋相互作用？
• RQ4 能否通过在宏观尺度观测自旋相关力来约束非交换几何结构？
• RQ5 自旋电子的引力质量如何随其相对于银河系中心取向而变化？

主要发现

• CP破坏参数 $|g_{ m P}^{e}g_{ m S}^{N}|/(π c)$ 在 $\lambda > 1$ AU 时被限制在小于 $9.4 \times 10^{-37}$ 以内。
• CP破坏参数 $|g_{ m A}^{e}g_{ m V}^{N}|/(π c)$ 在 $\lambda > 1$ AU 时被限制在小于 $1.2 \times 10^{-56}$ 以内。
• 矢量偏好参考系势 $\bm{A}$ 被限制为 $|\bm{A}_{X,Y}| \leq 1.5 \times 10^{-22}$ eV 且 $|\bm{A}_{Z}| \leq 4.4 \times 10^{-21}$ eV。
• 速度依赖相互作用参数 $|B|$ 的上限为 $1.2 \times 10^{-19}$ eV。
• 张量相互作用 $\bm{C}$ 的全部九个分量均被约束在 $10^{-17}$ 至 $10^{-18}$ eV 水平。
• 自旋方向朝向或背离银河系中心的电子之间引力质量差异小于 $10^{-21}$ 量级。