[论文解读] Search for an exotic parity-odd spin- and velocity-dependent interaction using a magnetic force microscope

Xiaofang Ren, Jianbo Wang+5 more|arXiv (Cornell University)|Jul 23, 2021

Atomic and Subatomic Physics Research参考文献 71被引用 15

一句话总结

本研究利用带有自旋极化探针的磁力显微镜，在微米尺度上搜索电子与未极化的核子之间存在的奇偶性破坏、与自旋和速度相关的相互作用。通过在周期性金/二氧化硅核子源表面扫描探针，未观测到异常信号，从而为相互作用范围在15 µm至180 µm之间的 $ g^A_e g^V_N \leq 9 \times 10^{-15} $ 设定新极限。

ABSTRACT

Exotic spin-dependent interactions may be generated by exchanging hypothetical bosons that have been proposed to solve some mysteries in physics by theories beyond the standard model of particle physics. The search for such interactions can be conducted by tabletop scale experiments using high precision measurement techniques. Here we report an experiment to explore the parity-odd interaction between moving polarized electrons and unpolarized nucleons using a magnetic force microscope. The polarized electrons are provided by the magnetic tip at the end of a silicon cantilever, and their polarizations are approximately magnetized in the plane of the magnetic coating on the tip. A periodic structure with alternative gold and silicon dioxide stripes provides unpolarized nucleons with periodic number density modulation. The exotic forces are expected to change the oscillation amplitude of the cantilever which is measured by a fiber laser interferometer. Data has been taken by scanning the tip over the nucleon source structure at constant separation, and no exotic signal related to the density modulation has been observed. Thus, the experiment sets a limit on the electron-nucleon coupling constant, $g_A^eg_V^N\leq 9 imes 10^{-15}$ for 15 $\mu$m $\le \lambda \le$ 180 $\mu$m, using a direct force measurement method.

研究动机与目标

• 在微米距离上检验电子与核子之间是否存在奇偶性破坏、与自旋和速度相关的相互作用。
• 通过直接力测量探测标准模型之外的假想新物理。
• 改进轻玻色子交换模型中电子-核子耦合常数的约束条件。
• 利用高精度力传感的桌面实验探测微弱的异常相互作用。

提出的方法

• 使用镀有CoCr的自旋极化探针的磁力显微镜，测量微米尺度分离下的作用力。
• 使探针在共振状态下振动，以最大化对速度相关力的灵敏度。
• 周期性金/SiO2图案提供核子密度的空间调制，以增强信号区分能力。
• 通过激光干涉仪测量悬臂梁振幅变化来探测力的变化。
• 通过校准将自旋相关力与静电和卡西米尔背景效应分离。
• 理论建模采用势能表达式 $ V = \frac{g^A_e g^V_N \hbar}{4\pi} \hat{\sigma} \cdot \mathbf{v} \frac{e^{-r/\lambda}}{r} $，其中 $ \lambda $ 为相互作用范围。

实验结果

研究问题

• RQ1 磁力显微镜是否能够在微米尺度上探测到奇偶性破坏、与自旋和速度相关的相互作用？
• RQ2 该相互作用模型中电子-核子耦合常数的灵敏度极限是多少？
• RQ3 核子密度的空间调制如何增强力测量中的信号探测？
• RQ4 直接力测量能否超越以往的间接方法或基于磁共振的限制？
• RQ5 在15 µm至180 µm的相互作用范围内，耦合常数 $ g^A_e g^V_N $ 的约束条件是什么？

主要发现

• 在扫描过程中未观测到与核子密度调制相关的异常信号。
• 本实验为相互作用范围在15 µm至180 µm之间的 $ g^A_e g^V_N \leq 9 \times 10^{-15} $ 设定新上限。
• 该上限基于直接力测量获得，优于以往的间接方法。
• 该结果与相同范围内的原子磁强计和中子自旋弛豫实验结果具有可比性。
• 通过有限元建模和悬臂梁特性校准验证了测量灵敏度。
• 该方法展示了未来利用纳米尺度力传感器开展类似搜索的可行性。